При рытье котлована для возведения подземной части заглубленного сооружения важным вопросом является обеспечение устойчивости стенок грунтового обнажения. Если грунт по своим механическим свойствам не может сохранять равновесное состояние при обнажении, то произойдет обрушение стенок, т.е. аварийная ситуация. Ещё более опасной становится ситуация, когда вблизи котлована расположены какие-либо здания и сооружения. Во избежание подобных явлений стенки котлована делают наклонными, если позволяют условия строительства, либо укрепляют с помощью специального ограждения. Ограждение это испытывает давление со стороны грунта, и его устойчивость обеспечивается разными способами: с помощью распорок, анкеров или же заглублением в грунт ниже дна котлована.
В последнем случае равновесие ограждения обеспечивается пассивным отпором грунта, расположенного ниже дна котлована. Ограждение представляет собой вертикальные элементы (шпунтины, сваи), забиваемые в грунт на определенную глубину. Эти элементы могут забиваться без зазора между ними и таким образом образуется шпунтовая стенка, либо между элементами остается зазор, в который укладываются деревянные или какие-либо другие элементы (забирка, затяжка), опирающиеся на несущие элементы (шпунтины, сваи).
Для безопасного ведения работ по разработке котлована и последующего возведения подземной части сооружения надо знать, на какую глубину следует забить шпунт, чтобы обеспечить его устойчивость без дополнительных мероприятий, а также знать геометрические характеристики поперечного сечения несущих элементов, обеспечивающие его прочность в течение всего срока службы ограждения. Определяющими факторами при решении этой задачи являются прочностные характеристики грунта — угол внутреннего трения ц и удельное сцепление с, глубина котлована, а также нагрузки, действующие на поверхности грунта в непосредственной близости от котлована. Расчетно-графическая работа посвящена решению этой задачи.
Исходные данные
|
Номер грунта |
Наименование грунта |
Удельный вес , кПа |
Угол внутреннего трения , град |
Сцепление грунта с |
Мощность слоя m , м |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
1 |
Суглинок |
18,5 |
14 |
14 |
1 |
|
|
2 |
Супесь |
18,7 |
21 |
15 |
1,5 |
|
|
3 |
Глина |
18,2 |
16 |
16 |
1,5 |
|
|
4 |
Глина |
21,5 |
24 |
24 |
4 |
|
грунт ограждение котлован давление
Величина равномерно распределенной нагрузки — . Расстояние от откоса до начала приложения нагрузки а = 1 м. интенсивность распределения нагрузки — b = 0,5 м. отметка дна котлована .
Расчетная схема
Активное давление грунта на ограждение
Вначале надо найти вертикальное давление на уровне границ между слоями, суммируя вес слоев, расположенных выше границы.
где — давление на границе между слоем с номером i (он сверху) и слоем с номером i+1 (он снизу от границы),
г — удельный вес грунта в слое,
т — мощность (толщина) слоя грунта
Расчет представлен в таблице:
|
№ |
Ду |
г |
ц |
м |
‘ |
с |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
0 1 |
0 1 |
18,5 |
0 18,5 |
8 |
38 |
0,781 |
0,61 |
0 -10,58 |
14 |
52 |
— — |
|
|
2 3 |
1 1,5 |
18,7 |
18,5 46,55 |
28 |
34,5 |
0,687 |
0,472 |
-11,78 11,37 |
35 |
55,5 |
— 12,79 |
|
|
4 5 |
1,5 1,5 |
18,2 |
46,55 73,85 |
17 |
37 |
0,754 |
0,569 |
-18,75 -3,23 |
15 |
53 |
-17,04 -1,52 |
|
|
6 7 |
1,5 4 |
21,5 |
73,85 159,85 |
18 |
33 |
0,649 |
0,422 |
-20,76 15,54 |
20 |
57 |
-19,49 16,81 |
|
Учет влияния нагрузки на поверхности грунта
Нагрузка, расположенная вблизи котлована, на поверхности грунта, оказывает давление на ограждение. Величина давления зависит от угла внутреннего трения грунта на уровне передачи нагрузки на ограждение, от интенсивности и ширины полосы действия нагрузки на поверхности. Вначале определяется верхняя граница участка давления (А), для этого из точки А проводится прямая под углом к горизонту: А есть точка пересечения этой прямой с ограждением. На глубине интенсивность вертикального давления от нагрузки уменьшается:
Пассивное давление грунта на ограждение
Пассивное давление (отпор грунта) действует на ограждение в направлении, обратном активному давлению, и создается грунтом, находящимся ниже дна котлована. На уровне дна котлована пассивное давление равно
где .
Здесь, как видно, давление зависит только от удельного сцепления. Ниже дна котлована начинает проявляться влияние веса грунта. Находим интересующее нас пассивное давление в точке z:
где .
Расчет представлен в таблице:
|
№ |
Ду |
г |
ц |
м |
‘ |
с |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
|
6 7 |
1,5 4 |
21,5 |
0 86 |
24 24 |
57 57 |
1.54 |
2.37 |
-20,76 15,54 |
40 |
123.2 327 |
|
Эпюра давления на ограждение
После определения активного и пассивного давления в расчетных точках и давления, передаваемого на ограждение нагрузкой, действующей на поверхности грунта, нужно построить суммарную эпюру давлений, суммируя активное (с учетом нагрузки на поверхности грунта) и пассивное давление ниже дна котлована и принимая пассивное давление отрицательным. В нижней части эпюра давлений переходит в отрицательную область.
Оценка устойчивости ограждения
С помощью эпюры находим опрокидывающий и удерживающий моменты, действующие на ограждение. Ординатами эпюры являются интенсивности давления, т.е. давления, приходящиеся на единицу высоты ограждения (расчет ограждения производится на единицу длины стенки котлована).
Площадь участка эпюры некоторой высоты. Зная величину равнодействующей и точку её приложения, можно найти ее момент относительно условно неподвижной точки ограждения. В качестве неподвижной точки принимаем нижний конец подпорной стенки, заглубленной ниже дна котлована на 2 м.
|
№ |
Величина равнодействующей, кН |
Плечо равнодействующей, м |
Опрокидывающий момент, кН·м |
Удерживающий момент, кН·м |
|
|
11.89 |
2.47 |
29.37 |
|||
|
80.08 |
0.33 |
26.83 |
|||
|
10.76 |
0,22 |
2.44 |
|||
|
29.37 |
29.27 |
||||
Подбор размеров ограждения
Чтобы определить требуемые геометрические параметры несущих элементов ограждения, работающих на изгиб (требуемые моменты сопротивления сечений шпунтин), нужно сначала найти место, где возникает наибольший изгибающий момент. Эта задача решается с помощью эпюры поперечных сил. Координата точки относительно поверхности котлована, в которой поперечная сила равна 0: .
Теперь надо вычислить изгибающий момент в этой точке. Для вычисления можно использовать величины равнодействующих, расположенных выше указанной точки.
Т.к. максимальный момент незначительный, использование металлических подпорных стенок экономически нецелесообразно. Принимаем подпорную стенку из деревянных щитов. Тогда требуемый момент сопротивления ограждения будет равен:
Согласно сортаменту на прокатные профили принимаем двутавр N 36 c моментом сопротивления .
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/davlenie-gruntov-na-ograjdayuschie-konstruktsii/
1. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений [Текст]: учеб. пособие / Под ред. Б.И. Далматова. — М.: Изд-во АСВ — СПб.: СПбГАСУ, 1999-340с.
2. Проектирование подпорных стен и стен подвалов [Текст]/ ЦНИИПромзданий. — М.: Стройиздат, 1990. — 104с.
3. Механика грунтов, основания и фундаменты [Текст]: учеб. пособие/ С.Б.Ухов [и др.] — М. Высш. шк., 2002.- 566с.
4. Устойчивость ограждения стенки котлована: [Текст]; методические указания к выполнению расчетно-графической работы / С.Б. Колоколов — Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005 — 21с.
