Действующие нагрузки на подпорные стенки

Тело подпорной стенки - это надземная часть несущей конструкции, которая также выполняет и декоративные функции.

Стенка может быть как жестко закрепленной в грунте, так и упругой конструкцией.

- Стенки с жестко закрепленной конструкцией - это монолитные стенки из бетона, кладки из камня, кирпича или бетонных блоков, связанных цементным раствором.

- К упругим конструкциям относятся подпорные стенки, которые выдерживают небольшие деформации без растрескивания. К этой группе относятся стенки сухой каменной кладки, ряжевые, габионные стенки. Ширина верхней части таких стенок не должна быть меньше 45 см, обычно она составляет 45-60 см.

В зависимости от конструкции и высоты подпорной стенки определяют необходимость наклона ее передней и задней граней. Для подпорных стенок жестко закрепленной конструкции, высота которых вместе с фундаментом не превышает 1,5 м, наклон передней грани не требуется. При увеличении высоты, небольшой наклон (10 -15 град. от вертикали в сторону склона) передней грани стенки позволяет создавать оптическую иллюзию вертикальности, что улучшает ее визуальное восприятие и позволяет скрыть недостатки в отделке фасада (незначительные неровности при наклоне становятся менее заметными). Помимо этого, наклон может повысить устойчивость стенки к опрокидыванию, также наклон задней грани стенки в сторону засыпки снижает давление грунта на нее. Величина наклона зависит от грунта и технологических возможностей при строительстве и определяется расчетом.

Устойчивость подпорных стен

- значительно уменьшает давление грунта на заднюю грань небольшой наклон, спроектированный в сторону возвышенности;

- сторону, обращенную к грунту делают шероховатой. В каменных, кирпичных, блочных кладках делают выступы, а монолитных подпорных стенах – выполняют сколы;

- правильно организованная дренажная система предотвращает подмыв конструкции;

- наличие консоли в передней части стены обеспечивает дополнительную устойчивость, так как распределяет часть нагрузки грунта;

- боковое (вертикальное) давление уменьшается посредством засыпки пустотелых материалов (керамзита) между задней стеной и существующим грунтом

- нижнюю часть стены делают шире, чем верхнюю. Чем ниже стена заглублена в грунт, тем большее давление она испытывает.

- для предотвращения опрокидывания и разрушения стенок большой длины предусматривают контрфорсы. Контрфорс — это вертикальная конструкция, выступающая за стену. Чаще всего она связана с основным подпорным элементом. Но существуют варианты отдельно стоящих контрфорсов. Изготавливается из того же материала, что и стенка. Контрфорсы берут на себя часть распора от горизонтального воздействия. Могут быть как прямолинейными, так и с уступами. Контрфорсы помогают усилить стену без сильного перерасхода материалов.

- для капитальных стен из тяжелых материалов требуется фундамент. Для глинистого грунта целесообразно использовать основание ленточного типа, слабого грунта (песчаного) – свайный фундамент.

Расчет подпорных стен

Подпорные стены рассчитывают по двум группам предельных состояний:

первая группа (по несущей способности) предусматривает выполнение расчетов:

- по устойчивости положения стены против сдвига и прочности грунтового основания;

- по прочности элементов конструкций и узлов соединений

вторая группа (по пригодности к эксплуатации) предусматривает проверку:

- оснований на допускаемые деформации;

- элементов конструкций на допустимые величины раскрытия трещин.

Давление грунта для уголковых подпорных стен следует определять исходя из условия образования за стеной клиновидной симметричной (а для короткой задней консоли - несимметричной) призмы обрушения (рис. 7,б). Давление грунта принимается действующим на наклонную (расчетную) плоскость, проведенную под углом e при δ=ϕ’ .

Угол наклона расчетной плоскости к вертикали e определяется из условия (14), но принимается не более (45° - j/2)

tg e=(b - t)/h. (14)

Наибольшая величина активного давления грунта при наличии на горизонтальной поверхности засыпки равномерно распределенной нагрузки q определяется при расположении этой нагрузки в пределах всей призмы обрушения, если нагрузка не имеет фиксированного положения.

Расчет устойчивости положения против сдвига

Расчет устойчивости положения стены против сдвига производится из условия: F_sa ≤ γ_cF_sr/γ_n, (15)

где F_sa - сдвигающая сила, равная сумме проекции всех сдвигающих сил на горизонтальную плоскость; F_sr - удерживающая сила, равная сумме проекций всех удерживающих сил на горизонтальную плоскость; γ_с - коэффициент условий работы грунта основания: для песков, кроме пылеватых - 1; для пылеватых песков, а также пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии - 0,9; для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии - 0,85; для скальных, невыветрелых и слабовыветрелых грунтов - 1; выветрелых - 0,9; сильновыветрелых - 0,8; γ_n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2, 1,15 и 1,1 соответственно для зданий и сооружений I, II и III класса.

Сдвигающая сила F_sa определяется по формуле: F_sa = F_sa,g + j_sa,_q, (16)

где F_sa,g - сдвигающая сила от собственного веса грунта равна:

F_sa,g = P_gh/2; (17)

F_sa,q - сдвигающая сила от нагрузки, расположенной на поверхности призмы обрушения, равна:

F_sa,q = P_qy_b. (18)

Удерживающая сила F_sr для нескального основания определяется по формуле: F_sr = F_v tg(ϕ_I - b) + bс_I + Е_r, (19),

где F_v - сумма проекций всех сил на вертикальную плоскость

а) для массивных подпорных стен F_v = F_sa tg(e + d) + G_ст + γ_I tgbb²/2, (20)

G_ст - собственный вес стены и грунта на ее уступах.

б) для уголковых подпорных стен (при e ≤ q₀)

F_v = F_sa tg (e +ϕ’) +γ’γ_f [h(b - t)/2 + td]+ γ_I tgbb²/2 (21),

где γ_f - коэффициент надежности по нагрузке, принимается равным 1,2; Е_r - пассивное сопротивление грунта: E_r = γ_I l_r/2 + c_Ih_r(l_r - 1)/tgϕ_I, (22)

где λ_r - коэффициент пассивного сопротивления грунта: λ_r =tg²(45° + ϕ_I/2), (23)

h_r - высота призмы выпора грунта h_r =d + btgb. (24)

Расчет устойчивости подпорных стен против сдвига должен производиться по формуле (15) для трех значений угла b (b = 0, b = ϕ_I/2 и b = ϕ_I).

При наклонной подошве стены, кроме указанных значений угла b, следует производить расчет против сдвига также для отрицательных значений угла b.

При сдвиге по подошве (b = 0) следует учитывать следующие ограничения: с_I≤ 5 кПа, ϕ_I ≤30°, λ_r = 1.

Удерживающая сила F_sr для скального основания определяется по формуле

F_sr =F_vf +E_r, (25)

где f - коэффициент трения подошвы по скальному грунту, принимается по результатам непосредственных испытаний, но не более 0,65.

Расчетные схемы подпорных стен: а - массивных; б - уголкового профиля

Расчет прочности грунтового основания

Расчет прочности основания следует производить для всех скальных грунтов и нескальных при tgδ_I < sin ϕ_I из условия F_v ≤γ_cN_u/γ_n. (26)

Тангенс угла наклона к вертикали равнодействующей внешней нагрузки на основание определяется из условия tgδ_I = F_sa/F_v. (27)

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания N_u, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, определяется по формуле N_u = b’ (N_γb’γ_I + N_qγ’_Id + N_cc_I ). (28)

где N_γ, N_q, N_c - безразмерные коэффициенты несущей способности, определяемые по таб.5 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта ϕ_I и угла наклона к вертикали δ_I равнодействующей внешней нагрузки на основание в уровне подошвы стены: d - глубина заложения подошвы от нижней планировочной отметки, м; b’ - прицеленная ширина подошвы, определяемая по формуле

b' = h - 2e. (29)

где е - эксцентриситет приложения равнодействующей всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы стены, величина которого определяется по формуле (30) и не должна превышать е ≤ b/3: e = M₀/F_v, (30)

где M₀ - сумма моментов всех вертикальных и горизонтальных сил относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы.

Сумма моментов М₀ определяется по формулам:

а) для массивных подпорных стен

M₀ = F_sa[h* - tg (e + d) (b/2 - h* tg e)]+∑M_i, (31)

где ∑M_i - сумма моментов от собственного веса стены и грунта на ее обрезах относительно центра тяжести подошвы стены.

б) для уголковых стен (при e £ q₀)

М₀ = F_sa [h* - tg (e +ϕ’) (b/2 - h* tg e)] + γ’_Iγ_f (b - t) [h(b - 4t) + 6td]/12. (32)

где h* - расстояние от равнодействующей сдвигающей силы до низа подошвы стены; γ_f - коэффициент надежности по нагрузке, принимается, равным 1,2;

h* = [F_sa,γh/3 + F_sa,q(h - y_a - y_b/2)]/F_sa. (33)

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания N_u, сложенного скальным грунтом, определяется по формуле

N_u =R_cb’. (34)

где R_c - расчетное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта.

Расчет оснований по деформациям

При отсутствии специальных технологических требований расчет деформации основания считается удовлетворительным, если среднее давление на грунт под подошвой фундамента от нормативной нагрузки не превышает расчетного сопротивления грунта основания R, а краевые - 1,2R:

(35)

При этом эпюру напряжений допускается принимать трапециевидной или треугольной. Площадь сжатой зоны при треугольной эпюре должна быть не менее 75% общей площади фундамента подпорной стены (е ≤b/4) (рис. 8).

Краевые давления на грунт под подошвой стены , р_max при эксцентриситете приложения равнодействующей всех вертикальных сил относительно центра тяжести подошвы е ≤b/6 определяются по формуле (36), а при е > b/6 - по формуле (37):

(36) p_max= 2F_v/3c₀, (37)

где F_v - сумма проекций всех сил на вертикальную плоскость, определяемая по формулам (20) и (21); е - эксцентриситет приложения равнодействующей всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы стены, определяемый по формуле (30); 3с₀- длина эпюры по подошве фундамента: с₀ = 0,5b - е. (38)

Расчетное сопротивление грунта основания R, кПа (тс/м²), определяется по формуле

R = (γ_c1γ_c2/k) (M_γbγ_II + M_qdγ’_II + M_cc_II). (39)

где γ_c1 и γ_c2 - коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 6;

k - коэффициент, принимаемый: k =1, если прочностные характеристики грунта j и с определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1, если они приняты по табл. 1-3 прил. 5; М_γ, М_q, М_с -коэффициенты, принимаемые по табл. 7; b - ширина подошвы фундамента; d - глубина заложения подошвы фундамента от нижней планировочной отметки.

Схема для определения давлений под подошвой стены: а - при малых эксцентриситетах е ≤ b/6; б - при больших эксцентриситетах е > b.