Давление грунтов на ограждающие конструкции

Общие положения.

Ограждающие конструкции предназначены для того, чтобы удерживать от обрушения находящийся за ними грунтовый массив. Характерным примером ограждающей конструкции является подпорная стенка – конструкция, широко применяющаяся в промышленном, гражданском, дорожном, гидротехническом и других областях строительства.

 

Рис. 6.6. Примеры конструкций подпорных стенок:
а – массивной; б – тонкостенной; в – тонкостенной, заделанной в основание

 

По конструктивному исполнению различаются массивные (или гравитационные) и тонкостенные подпорные стенки (рис. 6.6). Устойчивость массивных стенок на сдвиг и опрокидывание обеспечивается, прежде всего, их собственным весом. Устойчивость тонкостенных конструкций обеспечивается собственным весом стенки и грунта, вовлеченного в совместную работу, либо защемлением нижней части стенки в основание.
К ограждающим конструкциям следует отнести также стены подвалов и заглубленных частей зданий, стены подземных сооружений и т. п.

По характеру работы ограждающие конструкции подразделяются на жесткие и гибкие. К жестким относится конструкция, которая под действием давления грунта изгибается очень незначительно или практически не изгибается, поэтому ее собственные деформации не изменяют характер давления на нее грунта. Жесткие подпорные стенки изготовляются обычно из железобетона, монолитного бетона, каменной кладки, деревянных или железобетонных ряжей или ящиков, заполненных грунтом, и т. п. Гибкие подпорные стенки выполняются главным образом из деревянного, железобетонного или металлического шпунта и часто называются шпунтовыми стенками. При воздействии нагрузки они изгибаются, и характер эпюры давления грунта на стенку зависит от ее деформаций.

Эксперименты и натурные наблюдения показывают, что равнодействующая давления грунта на стенку Е зависит от направления, величины и характера ее смещения. На рис. 6.7 приведены три расчетных случая, определяющие фундаментальные понятия теории давления грунта на ограждение. Там же приводится график, характеризующий изменение равнодействующей давления Е в зависимости от смещения стенки.

 

Рис. 6.7. Связь равнодействующей давления грунта с величиной и направлением горизонтального смещения стенки: 1 – призма обрушения; 2 – призма выпирания; а – действие активного давления; б – давление покоя; в – действие пассивного давления; г – график, характеризующий формирование призм обрушения и выпирания

 

Если подпорная стенка под действием давления грунта не смещается и не изгибается (например, плитный фундамент коробчатого сечения), то давление реализуется в условиях отсутствия горизонтального смещения при (рис. 6.7, б); его часто называют давлением покоя . При этом допускается определять ординату горизонтального давления грунта на вертикальную грань стенки , используя понятие коэффициента бокового давления . Тогда, учитывая вертикальное давление от собственного веса, грунт на глубине z от поверхности засыпки, будем иметь

 

, (6.10)

 

где – удельный вес грунта; v – коэффициент Пуассона грунта.

Соответственно эпюра давления на стенку при однородном грунте засыпки будет иметь вид треугольника, и при высоте стенки h равнодействующая эпюры давления покоя определится как

. (6.11)

 

Под действием давления грунта возможно также смещение стенки в сторону от засыпки, принятое, как правило, со знаком минус (рис. 6.7, а). Когда это смещение достигает некоторой величины , в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется поверхностью скольжения, а сама область – призмой обрушения. Давление, передаваемое призмой обрушения на грань стенки, носит название активного давления, а его результирующую обозначают .

Наконец, если под действием каких-либо сил подпорная стенка смещается в сторону грунта, в засыпке также образуются поверхности скольжения, и при некоторой величине перемещения формируется призма выпирания грунта. При этом реакция грунта достигает максимального значения и соответствует пассивному давлению (отпору) грунта, результирующую которого обозначают (рис. 6.7, в).

Эксперименты показывают (рис. 6.7, г), что полное формирование призмы обрушения и развитие активного давления происходят при очень небольших перемещениях стенки, составляющих тысячные доли ее высоты. Напротив, образование призмы выпирания и развитие пассивного давления происходят при больших значениях перемещений стенки.

Как правило (см. рис. 6.6), на подпорную стенку практически всегда будут действовать активное давление со стороны засыпки (справа от стенки), стремящееся сдвинуть или опрокинуть стенку, и пассивное давление (слева от стенки), препятствующее потере ее устойчивости. Поэтому расчет давления грунта является неотъемлемой частью проектирования ограждающих конструкций.

Для определения активного и пассивного давления грунта на сооружение обычно принимается модель теории предельного равновесия, реализуемая в рамках строгих или приближенных решений. При этом возникают значительные математические затруднения, связанные с определением очертания линий скольжения в массиве грунта, поэтому в практических расчетах часто используют допущение, введенное еще Ш. Кулоном, о прямолинейном очертании линий скольжения. Для активного давления методы расчетов, основанные на этом допущении, дают результаты, близкие к строгим решениям. При определении пассивного давления получают завышенный результат, причем погрешность возрастает с увеличением угла внутреннего трения грунта.

Рассмотрим некоторые решения задач, основанные на этом допущении.