Конструкции шпунтовых ограждений котлованов. Расчет шпунтовых ограждений. Определение размеров элементов шпунтового ограждения.

Шпунтовые крепления

 

Шпунтовое крепление служит не только для удержания вертикальных стен котлована от обрушения, но и препятствует притоку грунтовых вод в котлован [6, 9]. Его применяют, когда уровень подземных или поверхностных вод расположен в пределах глубины котлована, и выполняют в виде сплошной стенки, заглубленной ниже отметки дна. Такое крепление состоит (рис. 5.3) из шпунтин, погружаемых по контуру котлована до его отрывки, маячных свай и направляющих схваток (обвязки), обеспечивающих проектное положение шпунта в процессе его погружения, а также распорок или анкерующих устройств, удерживающих шпунт от обрушения.

Рис. 5.3. Схемы шпунтовых креплений котлованов: а — свободно стоящая стенка; б, в — распорные; г — анкерная; 1 — шпунт; 2 — обвязка; 3 — распорка; 4 — анкерная тяга; 5 — анкерная свая; 6 — маячная свая; 7 — водоупор

Заглубление шпунта ниже дна котлована должно быть достаточным для обеспечения его устойчивости и определяется расчетом. Если на небольшой глубине от дна котлована залегает водонепроницаемый грунт (водоупор), целесообразно погрузить шпунт до этого слоя, чем достигается защита котлована от притока воды через его дно. Минимальное заглубление шпунтовой стенки ниже дна котлована должно быть не менее 2 м в текучих и текучепластичных глинистых грунтах, мелких и пылеватых песках и не мене 1 м — в других грунтовых условиях. Маячные сваи погружают с расстоянием между ними 2–4 м.

Положение верха шпунтовых стенок определяется уровнем воды, а в русле рек его следует назначать выше рабочего уровня с учетом подпора и высоты возможных волн на акватории не менее 0,7 м. Высоту подпора воды при скорости ее потока v ³ 2 м/с вычисляют по формуле , где g = 9,81 м/с2— ускорение свободного падения.

Шпунтовые стенки могут быть деревянными, стальными и железобетонными. По способу их крепления различают свободно стоящие, распорные и с анкерным креплением (см. рис. 5.3).

Деревянный шпунт применяют при глубине его погружения не более 6 м из-за ограниченной длины древесины, идущей на его изготовление, если грунты не содержат камней или других крупных включений, препятствующих погружению шпунта. Деревянный шпунт трудно погружать также в гравелистые и галечниковые грунты, в глинистые твердой консистенции.

Толщину шпунта назначают по расчету на прочность и делают из досок толщиной до 8 см или из брусьев толщиной 10…24 см В сплошную стенку шпунтины соединяют с помощью гребня и паза. Досчатый шпунт с треугольным гребнем имеет меньшую плотность соединения, чем брусчатый или составной из досок с прямоугольным гребнем (рис. 5.4, а). Обычно шпунт забивают пакетами из 2–3 отдельных шпунтин, соединенных наклонными скобами, втопленными в шпунтины заподлицо с поверхностью (рис. 5.4, в).

Рис. 5.4 Конструкции деревянного шпунта: а — типы сечений; б, в — соединение шпунтин; г — крепление направляющих схваток к маячным сваям; 1 — шпунт; 2 — направляющие схватки; 3 — маячные сваи; 4 — прокладки

Нижний конец шпунтин или пакета из них заостряют на высоту 1–3 толщин шпунта. С боков заострение симметричное, а со стороны гребня скошенное, что обеспечивает более плотное прилегание шпунтины при ее погружении к ранее забитой. Забивка шпунта ведется гребнем вперед. Верх шпунтин (голову) для предохранения от размочаливания при забивке закрепляют бугелем из полосовой стали.

Для погружения шпунта по периметру котлована забивают маячные сваи из бревен диаметром 18–26 см, к которым крепят направляющие парные схватки из пластин диаметром не менее 22 см или брусьев сечением не менее 14´14 см2с прокладками между ними через 1,5–2,0 м (рис. 5.4, г). По мере забивки шпунта эти прокладки убирают.

Стальной шпунт применяют при глубине воды более 2 м, а также в труднопроходимых грунтах (гравий, прослойки мергеля и т. п.). Его используют многократно. Профили стального шпунта показаны на рис. 5.5, а их технические характеристики приведены в табл. 5.2.

Типы стального шпунта Таблица 5.2

 

 

Примечание. B скобках приведены значения моментов инерции и сопротивления 1 м шпунтовой стенки в плане при учете совместной работы шпунтин на изгиб. Остальные характеристики даны для одной шпунтины.

Рис. 5.5 Профили стального шпунта: а — плоский; б — коробчатый; в — зетовый; г — типа “Ларсен”; д — сварная шпунтовая панель

 

Сварные шпунтовые панели ПШСК и ПШСКМ изготавливаются заводом “Курганстальмост” из универсальной полосовой стали с продольными сварными швами и уголковыми сварными замками. Сортамент панелей включает 57 номеров, в которых варьируются высота сечения Н (400, 420, 450, 500, 600, 700 и 800 мм), ширина полок bf(350, 400, 430 и 460 мм), толщина полок t (10–20 мм с шагом 2 мм и 25 мм), толщина стенок d (10, 12 и 14 мм) с моментом сопротивления при изгибе от 1800 до 11000 см3/м. Наибольшая длина поставляемых панелей — 36 м. Для погружения панелей используются известные технологии: забивка молотом и вибропогружение.

Замки стального шпунта обеспечивают работу шпунтового ряда на растяжение и взаимный поворот шпунтин до 10°, что позволяет устраивать ограждения, имеющие в плане криволинейные очертания. Угловые шпунтовые сваи составляют из разрезанных вдоль шпунтин, соединенных сваркой. Конструкция ограждения из стального шпунта показана на рис. 5.6.

Железобетонные шпунты применяют для ограждения котлованов, включая их составной частью в конструкцию фундаментов. Недостатком их является большая масса, что затрудняет их погружение по сравнению со стальными шпунтами.

Рис. 5.6 Конструкция крепления стен котлована стальным шпунтом: 1 — шпунт; 2 — обвязка; 3 — распорки; 4 — накладки

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, bp = 1 м), а расчетный удельный вес водопроницаемых грунтов, расположенных ниже отметки горизонта воды, принимают с учетом гидростатического взвешивания gsr.

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

; (5.11)
где gw = 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) + Ew² 0,5ho. Решая это кубическое уравнение, например, методом подстановки, определяют ho. Полную глубину забивки шпунта ниже дна котлована принимают h = 1,2ho.

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 = kIgw £ gsr, (5.12)
где k — коэффициент запаса, значение которого принимают не менее 2; I = Hw/(Hw + 2h) — 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 gwHw. 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 h3 = (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 hoпри 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).