Расчет креплений стен котлованов

 

Расчет закладного крепления. Расчет досок закладного крепления выполняют на восприятие активного давления грунта p _а как балки на двух опорах пролетом l (см. рис. 5.1, б), равным расстоянию между стойками. Для неглубоких котлованов в однородном грунте рассчитывают нижние доски крепления.

При наличии на откосе нагрузки q активное давление сыпучего грунта на нижнюю доску вычисляют по формуле (на рис. 5.1 нагрузка q = 0)

p a = [ q + gI(H – b /2)]tg2(45 – jI/2), (5.1)
где gI— расчетный удельный вес грунта в откосе; jI— расчетный угол внутреннего трения грунта в уровне доски.

При определении давления связных грунтов учитывают их внутреннее сцепление. Сцепление снижает активное давление грунта на величину

p ac = 2 с I tg(45 – jI/2) (5.2)
(где с I— расчетное сцепление грунта), которую следует вычесть из давления p aпо формуле (5.1).

По величине наибольшего изгибающего момента из условия прочности определяют либо толщину доски d для принятого пролета l, либо назначают расстояние l между стойками при известной толщине доски,

(5.3)
где R и — расчетное сопротивление древесины на изгиб.

Сечение стойки подбирают по наибольшему изгибающему моменту как балки на двух опорах с нагрузкой от активного давления грунта (см. рис. 5.1, в).

Распорки проверяют на продольное сжатие (см. рис. 5.1, г) по условию

RA/ j Ap £ Rсж, (5.4)
где RA — продольная сила в распорке от давления стойки; j — коэффициент продольного изгиба; A p— площадь поперечного сечения распорки; R сж— расчетное сопротивление древесины сжатию.

Расчет забивной стойки в закладном креплении по схеме рис. 5.2 заключается в определении необходимой глубины ее забивки из условия устойчивости от давления грунта и проверке ее на прочность при изгибе от этого давления.

Расчет забивной свободно стоящей стойки. На стойку со стороны откоса действует горизонтальная нагрузка от давления грунта. Пусть стойка будет жесткой и под действием этой нагрузки поворачивается вокруг точки О (см. рис. 5.2, б). Выше этой точки слева на стойку действует активное давление грунта, справа — пассивное, ниже точки О — наоборот. Поскольку в точке О стойка не смещается ни влево, ни вправо, то вблизи нее давление грунта будет отличаться как от активного, так и от пассивного. Для упрощения расчета эпюры давления грунта ниже точки О отбрасывают, а для соблюдения равновесия сил в этой точке прикладывают некоторую эквивалентную силу R и устойчивость стенки в грунте оценивают по условию

M a£(g c /g n) М п, (5.5)
где M a— момент относительно точки поворота всех активных (опрокидывающих) сил; M п— момент относительно той же точки пассивных (удерживающих) сил; g c — коэффициент условий работы; g n — коэффициент надежности. Полную глубину стойки принимают h = 1,2 h o.

Нарис. 5.2, б показана расчетная схема свободно стоящей стойки в связном грунте, когда составляющая активного давления за счет сцепления по (5.2) меньше давления от нагрузки на откосе: p ac< q xa.

Интенсивность давления грунта на стойку на любой глубине z от расчетной поверхности определяют по формулам:

активное давление —

p a = (q + gI z)xa – p ac, (5.6)
где

пассивное давление —

p п = gI z xп + p пc, (5.7)
где Здесь xа = tg2(45 – jI/2) — коэффициент активного давления грунта; xп = tg2(45 + jI/2) — коэффициент пассивного давления грунта.

Эпюры давления грунта разбивают на прямоугольные и треугольные участки, а нагрузку от каждого участка, приложенную в центре его тяжести, определяют как произведение площади участка на размер, с которого передается давление грунта на стойку. Этот размер для участков, расположенных выше дна котлована, равен расстоянию между стойками l, а для участков ниже дна котлована — расчетной ширине стойки b p = b + a, которая превышает ее фактическую ширину b. Обычно принимают постоянное в пределах глубины забивки h значение этого превышения. Так, при расчете двутавровых стоек назначают a = 0,3 м.

Тогда имеем:

(5.8)

Составим уравнение моментов всех сил, действующих на стенку, относительно точки О:

(5.9)

Из этого кубического уравнения методом подбора находят ho. Как уже отмечалось, глубину забивки стойки ниже дна котлована принимают h = 1,2 ho. Изгибающие моменты в сечениях стойки находят, рассматривая последовательно равновесие ее верхних отсекаемых частей. По наибольшему изгибающему моменту (рис. 5.2, в) проверяют прочность стойки.

Расчет забивной стойки закладного крепления с верхней распоркой. Расчетная схема такой стойки (рис. 5.7, а) отличается от схемы свободно стоящей тем, что точка ее возможного поворота при потере устойчивости расположена на уровне оси распорки.

Рис. 5.7 Расчетная схема забивной стойки закладного крепления с верхним ярусом распорок

 

Эпюры же давления грунта на стойку остаются теми же, но продленными на полную глубину забивки h, которую следует учитывать при оценке равнодействующих составляющих давления грунта по выражениям (5.8) с подстановкой в них ho = h. В этом случае сила R у нижнего конца стойки отсутствует.

Приравнивая сумму моментов всех сил относительно точки А по условию (5.5), получим уравнение для определения h:

(5.10)

 

При расчете стойки на прочность ее рассматривают как балку на двух опорах (рис.5.7б), у которой нижняя шарнирная опора расположена на ниже дна котлована. При этом действие пассивного давленияна балку ниже дна котлована не учитывают. Прочность стойки рассчитывают по наибольшему изгибающему моменту (рис.5.7, в). Продольное усилие в распорке определяют, приравнивая сумму моментов всех сил относительно нижней опоры балки. Сечение распорки подбирают по условию (5.4).

Расчет шпунтовых ограждений котлованов. Расчет шпунтового ограждения заключается в определении потребной глубины его забивки ниже дна котлована и подборе необходимых сечений шпунта и его распорных элементов. Для расчета шпунта в его стенке по длине и плане выделяют участок шириной 1 м. В качестве нагрузки на шпунт, как и в закладном креплении, расматривают активное и пассивное давления грунта и дополнительно учитывают давление воды.

Расчет свободно стоящего шпунта. Расчетная схема для такого шпунта аналогична схеме для забивной стойки закладного крепления с возможностью его опрокидывания относительно точки О, расположенной ниже дна котлована (рис. 5.8).

Рис. 5.8 Схемы к расчету свободно стоящей шпунтовой стенки: а- в однородном несвяном грунте, б- заглубленный ниже дна котлована в связный грунт (водоупор)

 

Равнодействующие составляющих давления грунта на шпунт определяют по аналогии с выражением (5.8) для расчетной ширины шпунтовой стенки, равной 1 м (l = 1 м, b p = 1 м), а расчетный удельный вес водопроницаемых грунтов, расположенных ниже отметки горизонта воды, принимают с учетом гидростатического взвешивания g sr.

Давление воды на шпунтовую стенку шириной 1 м в водопроницаемых грунтах будет (рис. 5.8, а):

; (5.11)
где g w = 9,81 кН/м3— удельный вес воды.

Составляют уравнение моментов сил относительно точки О по аналогии с уравнением (5.9), выражая плечи сил через неизвестный размер ho, добавив к его левой части моменты сил от давления воды: Ew ¢(ho + Hw/ 3) + Ew ²0,5 ho. Решая это кубическое уравнение, например, методом подстановки, определяют ho. Полную глубину забивки шпунта ниже дна котлована принимают h = 1,2 ho.

Принятая глубина забивки шпунта h, кроме того, должна быть достаточной, чтобы предотвратить вымывание грунта из-под него гидродинамическим давлением j при откачке воды из котлована. Для этого должно выполняться условие:

j = kI g w £g sr, (5.12)
где k — коэффициент запаса, значение которого принимают не менее 2; I = Hw/ (Hw + 2 h) — гидравлический уклон,

откуда

(5.13)

При наличии ниже горизонта воды водонепроницаемого грунта (рис. 5.8, б)расчет шпунта выполняют по двум расчетным схемам. По первой схеме в пределах водоупора с наружной стороны ограждения учитывают активное давление, рассматривая давление воды на водоупоре как вертикальную пригрузку интенсивностью g wHw. В пределах водоупора боковое давление воды на шпунт при расчете по этой схеме не учитывают.

По второй схеме рассматривают образование зазора между шпунтом и водоупором вследствие смещения стенки в сторону котлована. В этом случае учитывается полное одностороннее давление воды на стенку ниже дна котлована на глубину образования зазора h 3 = (0,5…0,6) ho. Если граница водоупора расположена выше дна котлована, глубину зазора назначают увеличенной на это превышение. Активное давление водоупора в пределах высоты ho при этом не учитывают.

Из двух значений ho, вычисленных по разным схемам, принимают большее.

Сечение шпунта подбирают из расчета его на прочность восприятия наибольшего по длине изгибающего момента, который находят, последовательно рассматривая равновесие вышележащих отсекаемых частей стенки.

Сечения маячных свай и направляющих схваток шпунта, если они используются при изготовлении ограждения, назначают конструктивно (разд. 5.2.3).

Расчет шпунтовой стенки с одним ярусом распорного или анкерного крепления. Шпунтовая стенка с верхним ярусом распорного крепления стремится повернуться относительно точки А, расположенной в уровне этого яруса (рис. 5.9, а).

Рис. 5.9. Схемы к расчету шпунтовой стенки с одним ярусом распорок в несвязном грунте

 

Полную глубину забивки шпунта в грунт h ниже дна котлована, как и для стойки закладного крепления с распоркой, определяют из условия равенства нулю суммы моментов всех сил относительно точки А. Эпюры давления грунта и воды на стенку остаются такими же, что и для свободно стоящей стенки, но продленными на глубину полной забивки шпунта h. Силу R при этом не учитывают. Из этого условия получают кубическое относительно h уравнение равновесия сил, решая которое находят значение h; оно должно, кроме того, удовлетворять условию (5.13).

В пределах водонепроницаемого грунта, расположенного ниже горизонта воды, в который забит шпунт, рассматривают так же, как и в случае со свободно стоящей стенкой, две схемы действия нагрузок:

первую с учетом только активного давления грунта (без учета давления воды) и вторую — с учетом только гидростатического давления (без учета активного давления грунта) в пределах возможного зазора между грунтом и стенкой.

Необходимое сечение шпунта подбирают из расчета его на прочность при изгибе по схеме балки на двух шарнирных опорах, так же как и для стойки закладного крепления(рис. 5.9, б). Нагрузками на такую балку считают активное давление грунта и воды выше уровня нижней условной опоры. Пассивное давление грунта с внутренней стороны стенки ниже дна котлована в расчетах не учитывают.

Роль верхней опоры шпунта здесь выполняют или направляющие схватки, которые обычно устанавливают при забивке деревянного шпунта (см. рис. 5.4, г), или обвязка стального шпунта(см. рис. 5.6).

Сечение элементов этих распорных устройств подбирают из расчета на прочность, как сжатоизогнутых одно- или многопролетных балок (рис. 5.9, в, г) на действие равномерной поперечной нагрузки RA и продольной сжимающей силы N.

Нагрузка RA представляет собой линейную реакцию от давления верхнего конца шпунта на обвязку, которую определяют, приравнивая к нулю сумму моментов всех сил относительно нижней условной опоры шпунта по схеме рис. 5.9, б. Продольная сила в поясе обвязки в направлении одной из осей (x, y) плана котлована равна

Nx (y)» 0,5 ly (x) RA,
где ly (x)— расстояние в направлении другой оси между поясом и соседним с ним распорным элементом крепления (поясом или распоркой).

Расчет обвязки шпунта на действие указанных нагрузок выполняют по правилам расчета сжато-изогнутых элементов.

Осевое усилие в распорке R pили анкерной тяге крепления будет R p = RAl p(l p— расстояние между распорками или тягами); его используют для определения потребного сечения распорки (анкерной тяги).

Расчет шпунтовой стенки с многоярусным распорным креплением. На конечной стадии ведения работ при сооружении котлована опрокидывание шпунтовой стенки возможно относительно нижнего яруса крепления (точка А ¢ нарис. 5.10, а).

Рис. 5.10. Схемы к расчету шпунтовой стенки с двухъярусным распорным креплением

Глубину забивки шпунта h ниже дна котлована определяют из условия

M a + Mw = (g с /g n)(M п + WR и), (5.14)
где M a, M пи Mw — суммы моментов сил активного, пассивного давления грунта и давления воды, действующих ниже уровня нижнего яруса крепления относительно точки А ¢; W и R и— момент сопротивления 1 м в плане сечения шпунтовой стенки и расчетное сопротивление материала шпунта на изгиб.

При условии WR и > 2 M a + Mw, где M aи Mw — моменты сил активного давления и давления воды, действующих на стенку выше точки А, относительно этой точки, в правой части (5.14) вместо WR иучитывают 2 M a + Mw. Найденное значение h дополнительно проверяют по условию (5.13).

Сечения элементов ограждения (шпунта, обвязки, распорок) подбирают по величине наибольших изгибающих моментов и продольных сил в элементах конструкции, рассматривая стенку как неразрезную балку с нижней условной опорой на расстоянии 0,5 h от дна котлована (рис. 5.10, б).

 

5.3 Ограждение котлована на местности, покрытой водой

 

При возведении фундаментов на местности, покрытой водой, например в русле реки, возникает потребность в ограждении котлованов от затопления из водоема. Для этого существуют различные способы, которые выбирают в зависимости от глубины водотока, скорости течения, условий судоходства, климатических и других местных условий [6, 9].

 

Перемычки

 

Ограждения котлованов от затопления из водоема называют перемычками. Верх перемычек назначают с учетом возможного подпора воды и высоты волн не менее чем 0,7 м над рабочим горизонтом воды. Перемычки должны быть достаточно устойчивы и водонепроницаемы.

Грунтовые перемычки. Грунтовые перемычки (рис. 5.11)применяют при глубине воды до 2 м, при скорости ее течения до 0,5 м/с и водонепроницаемом основании.

Рис. 5.11 Грунтовые перемычки: 1 — кривая депрессии; 2 — ядро из глины; 3 — водоупор; 4 — каменная наброска

Отсыпают их или намывают из песчаных или глинистых грунтов, содержащих глинистых частиц не более 20 %. При скоростях течения воды до 0,1 м/с наружные откосы таких перемычек устраивают без крепления с крутизной 2:1–3:1, а при больших скоростях укрепляют от размыва мощением, каменной наброской, фашинами и другими способами. Внутренние откосы делают не круче 1:1.

Для усиления водонепроницаемости в теле перемычки иногда укладывают ядро из глины (рис. 5.11, б), которое может прорезать верхний водопроницаемый слой основания.

Количество воды q, поступающей через 1 м тела перемычки, определяют по формуле

q = k ф h 2 w /(2 L), (5.15)
где k ф— коэффициент фильтрации грунта перемычки; hw — глубина водоема; L — проекция на горизонталь кривой депрессии (см. рис. 5.11).

Недостатком грунтовых перемычек является то, что для их устройства требуются большие объемы грунта и они сильно стесняют русло реки, что вызывает увеличение скорости течения воды и усиливает размыв как самой перемычки, так и других сооружений.

Смешанные перемычки. Такие перемычки (рис. 5.12)состоят из шпунтовых рядов, водонепроницаемость которых повышена отсыпанным грунтом. Они меньше стесняют сечение реки и обычно являются одновременно креплением стен котлована ниже дна водоема.

Рис. 5.12 Смешанные перемычки:1-шпунт, 2-обвязка, 3-распорка,4-схватка

 

Расчет однорядной перемычки выполняют так же, как и расчет шпунтовых стен (см. разд. 5.2.4).

В двухрядных перемычках наружный шпунтовый ряд предохраняет грунтовую засыпку от размыва, а внутренний шпунтовый ряд обычно служит ограждением стен котлована. Для совместной работы внутренний и наружный шпунтовые ряды перемычки соединяют поперечными схватками с одним или несколькими ярусами по высоте, что повышает жесткость перемычки и позволяет уменьшить глубину забивки шпунтовых рядов и их сечение. Лучшим заполнителем перемычек является песок.

Наружный шпунтовый ряд перемычки рассчитывают на восприятие давления грунта засыпки во взвешенном водой состоянии, как обычный шпунт с верхним анкерным ярусом крепления (рис. 5.13).

Внутренняя шпунтовая стенка работает в более тяжелых условиях, и ее рассчитывают на полное давление грунта засыпки и половину давления воды. Расчет внутренней стенки ведут независимо от наружной с учетом поддерживающих ее ярусов распорного крепления со стороны котлована.

 

Рис. 5.13Схема к расчету шпунта двухрядной перемычки

 

Перемычки из стального шпунта. Замки стального шпунта имеют слабую водопроницаемость и быстро заиливаются. Поэтому перемычки устраивают из одного ряда стального шпунта, забитого по периметру фундамента, без устройства наружной грунтовой отсыпки со стороны водоема. Перемычкам обычно придают прямоугольную форму в плане с распорным креплением, а при глубине воды 6–8 м предпочтительнее безраспорные цилиндрические перемычки. Перемычки рассчитывают на давление воды, а ниже дна водоема — еще и на давление грунта (рис. 5.14).

Рис. 5.14 Схема к расчету однорядной перемычки из стального шпунта

 

Ряжевые перемычки. Если дно реки сложено скальными или другими грунтами, не позволяющими забить шпунт на нужную глубину, можно изготовить ряжевую перемычку.

Ряж представляет собой деревянный сруб из бревен диаметром
18–20 см или из брусьев толщиной 18–22 см. Сплошные бревенчатые ряжи — трудоемкие и тяжелые конструкции. Брусчатые ряжи делают сквозными (рис. 5.15), оставляя зазоры в стенах, равные высоте брусьев.

Рис. 5.15 Ряжевая перемычка: 1 — досчатый водонепроницаемый экран; 2 — мешки с глиной; 3 — сжимы; 4 — хомуты; 5 — пол из брусьев; 6 — каменная засыпка

 

В местах пересечений брусья соединяют без врубок металлическими штырями длиной на 3–4 ряда. С внешней стороны ряжей устраивают водонепроницаемый экран из одного или двух рядов досок, сплоченных в шпунт. Между слоями досок прокладывают гидроизоляционный рулонный материал.

Ширину ряжевых перемычек назначают равной B = (0,5…1) hw, где hw — глубина воды. В плане ряжи разделены на клетки, которые засыпают камнем и песком. Снаружи по дну реки ряжи обсыпают песком или обкладывают мешками с глиной. Летом ряж рубят на берегу и сплавляют к месту установки в готовом виде, где его опускают на дно, загружая камнем. Зимой ряжи рубят на льду над местом их установки. Дно реки перед опусканием ряжей выравнивают.

В мостостроении ряжевые перемычки в настоящее время не используют.

 

Бездонные ящики

Бездонные ящики применяют при сооружении фундаментов с подошвой, расположенной на уровне дна водоема или с небольшим от него заглублением. Это бывает возможным при отсутствии размывов основания, например, на скальных и полускальных грунтах. Рыхлые слои небольшой толщины над скальным основанием удаляют до установки ящика.

При глубине воды до 5–6 м ящики изготавливают из дерева, при большей глубине — стальными или железобетонными. Стенки деревянных и стальных бездонных ящиков делают съемными и используют многократно. Железобетонные ящики оставляют в теле фундамента как несущую конструкцию.

Деревянный бездонный ящик (рис. 5.16) состоит из брусчатого каркаса, обшитого двумя слоями досок толщиной 40–60 мм с прокладкой между ними рулонной гидроизоляции. Доски располагают со встречным наклоном под углом 45° к горизонту. Поверхность их покрывают смолой или горячим битумом, а швы тщательно конопатят промасленной паклей.

Рис. 5.16 Деревянный бездонный ящик: 1 — брусчатый каркас; 2 — обшивка из досок; 3 — бетонное заполнение; 4 — распорки

 

Бездонные деревянные ящики обычно изготавливают на берегу (на стапелях) с последующей их доставкой на плаву к месту производства работ или собирают непосредственно над местом его опускания на подмостях или на льду. На дно водоема ящик опускают с помощью балласта из камней, загружая им настилы, устраиваемые на ребрах каркаса. Особое внимание уделяют водонепроницаемому примыканию нижней части ящика ко дну водоема. Для этого основание ящика по всему периметру обкладывают мешками, наполненными бетонной смесью или глиной, которые укладывают водолазы, а при малых скоростях течения обваловывают отсыпкой грунта.

Каркас и обшивка бездонного ящика должны обладать необходимой прочностью и жесткостью, чтобы воспринимать гидростатическое давление и скоростной напор воды.

При больших размерах фундаментов целесообразны съемные бездонные ящики, собранные из понтонов КС (рис. 5.17). Понтоны представляют собой герметичные сварные резервуары из стальных листов с каркасом из уголкового проката, снабженные на всех гранях фланцами для взаимных соединений при сборке из них плашкоутов.

Рис. 5.17 Съемный бездонный ящик из понтонов: 1 — понтоны КС; 2 — нож; 3 — воздуховод; 4 — подводный бетон

 

В бездонных ящиках понтоны соединяют “на ребро” болтами с резиновыми прокладками между ними, а в основании ящика устраивают нож сварной конструкции, врезающийся в грунт при посадке ящика на дно водоема.

Понтоны и бездонные ящики из них погружают на необходимую глубину с помощью балластировки их водой и поднимают, вытесняя балласт из понтонов сжатым воздухом.

 

Вымораживание котлованов

 

В районах с продолжительной и холодной зимой для ограждения котлованов можно сооружать перемычки из льда и мерзлого грунта, которые устраивают способом последовательного промораживания котлованов. При таком способе на площадке ледяного покрытия водоема последовательно скалывают лед слоями по 5–10 см, создавая условия для быстрого намерзания снизу нового слоя льда. Заглубляясь в лед таким образом, постепенно достигают дна водоема и при необходимости производят разработку грунта в котловане тем же способом вымораживания (рис. 5.18, а, б).

 

Рис. 5.18 Схемы вымораживания котлованов: 1 — лед; 2 — мерзлый грунт; 3 — трубчатые радиаторы

Скорость промораживания зависит от местных условий. В районах Сибири она составляет 5–15 см в сутки. Ее уточняют теплотехническими расчетами и промерами фактического промерзания в процессе производства работ.

Выработку котлована ведут не по всей его площади, а ячейками с перегородками между ними. Перегородки увеличивают прочность ограждения и предохраняют котлован от полного затопления в случае прорыва воды при неосторожном скалывании льда. В этом случае будет затоплена только одна ячейка.

Для ускорения промерзания стенок ограждения можно через лунки во льду опустить трубчатые радиаторы и прокачивать через них холодный воздух (рис. 5.18, в).

Способ вымораживания котлованов ниже уровня подземных вод применяют и на местности, не покрытой водой, например, при строительстве на заболоченной местности.

 

5.4 Осушение котлованов

 

При разработке котлованов ниже уровня воды организуют их осушение на период производства работ. Осушение котлованов осуществляют разными способами: открытым водоотливом, глубинным водопонижением, электроосушением.