Длительная устойчивость ограждающих конструкций

Давление грунтов на ограждающие конструкции

Ограждающие конструкции предназначены для того, чтобы удерживать от обрушения находящийся за ними грунтовый массив. К ним относятся подпорные стены, массивные и гибкие, «стены в грунте», шпунтовые ограждения, ограждения из металлических труб и др.

Устойчивость ограждающих конструкций обеспечивается как за счет собственного веса (массивные и гибкие подпорные стены), так и за счёт гибкости ограждающих конструкций типа «стена в грунте», шпунтовые ограждения, заделанные ниже основания котлована, а также за счёт анкеров и распорок.
Взаимодействие ограждающих конструкций с массивом грунта носит сложный характер и зависит от жёсткости конструкции, её смещений и прогибов.
При абсолютно неподвижном состоянии за подпорной стеной реализуется т. н. давление покоя. При смещении стенки от массива грунта за подпорной стеной реализуется активное давление.
В случае же движения стены на удерживаемый ею массив грунта в нем реализуется пассивное давление. Последний случай часто возникает у опор мостов, воспринимающих распорное усилие. Графически эти три вида давления представляются в виде зависимости

где u - перемещение (рис. 8. 14).

Давление покоя грунта легко определяется через коэффициент бокового давления, т. е.:

Для определения активного давления грунта на ограждающую конструкцию принимается, что массив грунта при движении стены от грунта образует призму обрушения и грунт переходит в состояние предельного равновесия. Для сыпучих грунтов это условие записывается в виде:

Если за подпорной стеной грунт имеет горизонтальную площадку, то σ 1 = σ 2 = γ *z. Следовательно, на подпорную стену высотой h будет действовать активное давление Еа на уровне 1/3h, причем:

Для определения пассивного давления грунта на ограждающую конструкцию принимается, что массив грунта при движении от стены образует призму выпирания, и грунт переходит в состояние предельного равновесия, которое описывается зависимостью:

Пассивное давление на высоту h подпорной стены будет определяться следующим образом:

Ширину призмы обрушения можно определить зависимостью:

Учет равномерно-распределенной нагрузки q на поверхности грунта приводит к следующему:

Учет сцепления грунта приводит к условию предельного равновесия вида:

Подставляя σ 1 = γ *z, получим:

Поскольку связный грунт обладает способностью держать вертикальный откос высотой h0, то, полагая σ a=0, получим:

Отсюда следует, что в пределах глубины h0 от свободной поверхности связный грунт не будет оказывать давление на стену. Причем максимальная эпюра активного давления будет определяться так:

Учет наклона шероховатости задней грани стенки и наклона поверхности засыпки.
Этот случай является достаточно общим и решается путем рассмотрения равновесия сил, действующих на треугольник AOB (рис. 8. 16).

Из геометрических соображений легко рассчитать массу в треугольнике AOB и, зная направление остальных сил, можно построить треугольник сил, определить Ea, R, т. е.:

Очевидно, что при изменении θ меняются и все остальные величины. Поэтому для определения экстремума следует воспользоваться условием экстремума, т. е. dEa/θ = 0. Тогда получим окончательно:

где z = [sin(φ +ω ]*sin(φ -α )]/[cos(ε +ω )]*cos(ε -α )].
Формула (8. 89) применима при крутых откосах (α ≥ φ ), которые сами по себе неустойчивы, и для стенок с очень пологой задней гранью (ε ≥ 65°).
Определение пассивного давления. Как указывалось выше, при движении ограждающей конструкции в сторону стенки в грунте возникает пассивное давление. Часто возникают ситуации, когда на одну и ту же ограждающую конструкцию действуют одновременно активное и пассивное давление (рис. 8. 17).
Слева от стенки возникает пассивное давление, так как σ n = σ x = σ 3 ≥ σ 1 = γ *z.
Следовательно, при пассивном давлении:

Расчет устойчивости подпорных стенок производится в соответствии с кинематической схемой движения стенки на плоский сдвиг, глубинный сдвиг и опрокидывание, а также методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Следует также учитывать, что активное давление всегда относится к группе сдвиговых, а пассивное - к группе удерживающих сил на стенку.

Длительная устойчивость ограждающих конструкций

Взаимодействие ограждающих конструкций с контактирующим грунтом носит более сложный характер, чем было изложено выше. Учет таких факторов, как реологические свойства и длительная прочность грунтов, а также изменение гидрогеологического режима, цикличность нагружения и др. приводит к накоплению необратимых пластических деформаций ограждающих конструкций. История содержит много фактов длительной деформации подпорных стен до 1 Ом в течение 100 лет (по данным А. Я. Будина). Известны примеры длительных смещений береговых устоев мостов, подпорных сооружений на транспортных магистралях, на гидротехнических объектах.
Количественная оценка этих процессов возможна при постановке задачи для оценки НДС массива с соответствующими напряжениями и граничными условиями и адекватным выбором расчетных парам грунтов.
Решение таких задач представляет самостоятельный интерес и решается в специализированных организациях, обладающих хорошей лабораторной базой и совершенным программным комплексом.