Рекомендации Рекомендации по применению подпорно-оседающих стен при строительстве дорог в условиях подмыва земляного полотна
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
УТВЕРЖДАЮ
Зам . директора института
Г.Д . ХАСХАЧИХ
1 ноября 1983 г .
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПОДПОРНО - ОСЕДАЮЩИХ СТЕН
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОГ
В УСЛОВИЯХ ПОДМЫВА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Одобрены Главным управлением пути МПС
и ГУЖДС Поволжья и Юга Минтрансстроя
Москва 1983
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящих Рекомендациях освещены вопросы проектирования и строительства подпорно - оседающих стен , обосновано технико - экономическое преимущество этих конструкций по сравнению с берегозащитными подпорными стенами , установлены сферы целесообразного применения , предложены методы расчета устойчивости подпорно-оседающих стен по предельным состояниям , учитывающие специфику их работы , даны способы прогнозирования величины погружения оседающих массивов в зависимости от гидрологических условий и фракционного состава русловых отложений , методика оценки ледового воздействия и сейсмики .
Полностью весь комплекс расчетов устойчивости приведен впервые . Последовательность расчетов иллюстрирована примерами . В Рекомендациях даны также объем и содержание изыскательских и инженерно - геологических работ и отдельные положения технологии производства работ .
Рекомендации предназначены для индивидуального проектирования подпорно-оседающих стен в качестве одного из способов защиты земляного полотна на прижимных участках трассы .
Рекомендации составлены кандидатами техн . наук Ф . И . Целиковым , А . И . Песовым , Е . А . Яковлевой ( ЦНИИС ), инженерами Р . Г . Геворковым , В . К . Дандуровым , С . А . Антоняном ( Армгипротранс ), кандидатами техн . наук И . Я . Мелик - Бахтамян и Н . Е . Тевдорашвили ( Грузинский политехнический институт ).
Зав . отделением
земляного полотна и верхнего
строения пути П . Г . Пешков
1 . ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1 . Подпорно - оседающие стены , являющиеся бесфундаментной разновидностью продольных берегоукрепительных сооружений , рекомендуется использовать для защиты от размыва земляного полотна железных и автомобильных дорог, расположенных в зонах примыкания к речным потокам ( на прижимных участках ) ( рис . 1 ). Поскольку в процессе размыва грунта в подошве защищаемого откоса ( берегового склона ) оседающие массивы опускаются под влиянием силы тяжести в образующуюся воронку размыва и тем самым предохраняют откос ( береговой склон ) от дальнейших ( боковых ) деформаций , то эти массивы после их опускания ( или предварительно ) наращивают на соответствующую величину . В некоторых случаях предварительно нарощенные участки оседающих массивов целесообразно устраивать в виде противовесов ( см . рис . 1 ), целью которых является повышение общей устойчивости подпорно - оседающей стены против опрокидывания и сдвига .
Одевающие стены предпочтительны из сборных элементов . В некоторых случаях их делают из каменной кладки на цементном растворе . Оседающие массивы изготавливают монолитными или сборно - монолитными .
1.2 . Подпорно - оседающие стены рекомендуются для защиты от размыва берегов горных и полугорных рек , а также подтопляемых откосов насыпей строящихся и вновь проектируемых железных и автомобильных дорог ( в частности , в случаях уширения проезжей части их за счет русла реки на прижимных участках ) в местах со сложными рельефными , гидрологическими и другими особыми условиями прохождения трассы , труднодоступных для осуществления изыскательских и строительных работ , при расчетных скоростях течения в пределах от 4 до 8 м / с и наличии в русле реки , в зоне предполагаемых оснований подпорно - оседающих стен , гравийно - галечно - валунного материала . При этом за расчетную скорость течения V р принимают среднюю скорость течения на вертикали у подошвы защищаемого откоса ( берегового склона ) при расчетном уровне воды заданной вероятности превышения .
Рис . 1 . Конструкция подпорно - оседающей стены :
1 - каменная наброска ; 2 - сборно - монолитный оседающий массив ; 3 - противовес ; 4 - монолитная часть стены с парапетом ; 5 - сборная одевающая стена
1.3 . При проектировании подпорно-оседающих стен следует учитывать , что основным преимуществом их по сравнению с выполняющими те же защитные функции в аналогичных гидрологических условиях берегозащитными подпорными стенами ( рис . 2 ) является отсутствие в них фундамента . В связи с этим исключается необходимость проведения трудоемких и дорогостоящих работ по устройству ограждения , отрытию котлована с водоотливом и бетонированию фундамента , которые в совокупности составляют около 40 % от общей стоимости строительства подпорной стены . Общая стоимость с троительства при замене подпорных стен на подпорно - оседающие снижается в некоторых случаях в 2 раза , а трудоемкость более чем в 3 раза . При этом надежность защиты от размыва подпорно-оседающими стенами получается не меньше .
Рис . 2 . Конструкция берегозащитной подпорной стены :
1 - сборные бетонные блоки ; 2 - крепление котлована ; 3 - монолитный бетонный фундамент ; 4 - ряжевое ограждение
1.4 . Рекомендуемая крутизна внешних поверхностей оседающих массивов к горизонту находится в диапазоне 5 0 - 65 ° . При крутизне менее 50 ° возможно отклонение в процессе подмыва оседающих массивов от заданного направления в сторону реки . При крутизне , превышающей 65 ° , осложняется проблема обеспечения устойчивости подпорно-оседающих стен в процессе эксплуатации .
1.5 . Верх оседающих массивов до начала размыва должен возвышаться над расчетным уровнем высокой воды ( заданной вероятности превышения ) на величину не менее D Нзап
D Нзап = D h наб + 0,5, ( 1)
где D h наб - набег воды на откос ( для рек со значительными скоростями ( более 4 м / с )
( 2)
Здесь V р - расчетная скорость течения , м / с ;
a т - угол между направлением течения и направлением защищаемого берега ( откоса ), град ;
0 ,5 - технический запас , м .
1.6 . Рекомендуется проектировать одевающие стены и оседающие массивы подпорно - оседающих стен преимущественно из сборных элементов , массу которых подбирают из условия грузоподъемности наиболее распространенных стреловых кранов на автомобильном ходу .
Конструкция сборных элементов должна быть по возможности простой , обеспечивающей надежное стыкование их между собой . В качестве элементов для монтажа одевающей стены целесообразно применять сборные пустотелые блоки , заполняемые в процессе строительства скальными обломками или местным грунтом . Оседающие массивы рекомендуется делать из сборных сплошных железо бетонных элементов , надежно соединяемых ( омоноличиваемых ) на месте строительства . Нижняя грань оседающих массивов делается заостренной и усиливается металлическим уголком .
Одевающие стены необходимо разделять сквозными вертикальными швами на всю высоту их на секции длиной 6 - 20 м . Следует также предусматривать отверстия для выхода грунтовых вод из застенного пространства .
Внешнюю поверхность одевающих стен рекомендуется покрывать толем ( для лучшего скольжения оседающих массивов в процессе опускания их при подмыве ).
1 .7 . Подпорно - оседающие стены с одевающей стеной из каменной кладки рекомендуется применять лишь в порядке исключения , в случае необходимости срочной защиты берега или откоса , когда нет возможностей для индустриального изготовления сборных элементов и соответствующих машин и механизмов для их монтажа.
1.8 . Толщину одевающих стен и оседающих массивов подбирают методом последовательных приближений ( итерации ) из условия устойчивости подпорно - оседающей стены при расположении оседающих массивов после их опускания на заданную или расчетную глубину , определяемую по методике , изложенной в гл . 3 настоящих Рекомендаций .
Минимальную толщину оседающих массивов рекомендуется принимать равной 0,6 - 0,8 м , ширину их по фронту назначать в пределах от 1,5 до 2 м . Длину массивов устанавливают в зависимости от высоты укрепляемого откоса , расчетного уровня паводковых вод , угла наклона массивов к горизонту и предполагаемой глубины размыва , прогнозируемой в соответствии с указаниями п . 3 настоящих Рекомендаций . В случае невозможности или затруднительности прогнозирования глубины размыва ее условно принимают равной 2 м .
1.9 . При установлении длины элементов оседающих массивов необходимо учитывать глубину размыва ; для этого целесообразно осуществлять соответствующее удлинение их ( частичное или полное ) в процессе строительства подпорно-оседающих стен . При невозможности по тем или иным причинам удлинить оседающие массивы при строительстве подпорно - оседающих стен можно сделать это в период эксплуатации сооружения .
1.10 . При значительной глубине меженных вод или с целью снижения величины опускания оседающих массивов в процессе эксплуатации , а также при недостаточной изученности рельефа и фракционного состава дна русла рекомендуется предварительно создавать искусственное основание ( наброску ) под оседающими массивами из обломков , крупность которых принимают в зависимости от скорости течения , соответствующей расчетному горизонту воды при производстве работ по монтажу нижних участков оседающих массивов . Ориентировочно этот горизонт может быть принят соответствующим уровню воды с расчетным расходом десятилетней повторяемости .
1.11 . Расчетный размер ( диаметр ) камня d к указанной в п . 1.10 наброски , которая должна обеспечить устойчивость оседающих массивов в процессе их строительства , рекомендуется определять по формуле
( 3)
где V - расчетная скорость при горизонте воды , принятом в качестве расчетного в процессе монтажа нижних участков оседающих массивов ( средняя по вертикали , проведенной у подошвы каменной наброски ), м / с ;
А - коэффициент , учитывающий устойчивость камня на откосе , рекомендуется принимать А = 1 на участках крутых поворотов ( R < 300 м ) и А = 1,15 - во всех остальных случаях ;
g к и g - соответственно удельный вес камня и воды , кН/ м3 ;
a н - угол наклона поверхности откоса наброски к горизонту , град .
Количество обломков с расчетным диаметром d к должно быть не менее 50 % от общего объема наброски . Ширину наброски поверху на уровне подошвы одевающей стены принимают равной 2 - 3 м , а крутизну откоса - равной углу естественного откоса материала наброски .
Для наброски рекомендуется прочный камень , не имеющий выветрелых и размокаемых включений .
1.12 . Для повышения устойчивости оседающих массивов против опрокидывания и скольжения ( при необходимости его, выявляемой в процессе расчетов , выполняемых в соответствии с гл . 3 настоящих Рекомендаций ) можно осуществлять наращивание их противовесами - бетонными ящиками , заполняемыми обломками скальных пород или местным грунтом ( см . рис . 1 ). Направление внешней грани противовеса может совпадать с направлением внешней поверхности массива , быть вертикальным или наклонным в сторону реки ; очертание ее может быть прямолинейным или ломаным . Высоту противовесов целесообразно делать равной величине прогнозируемого размыва .
1.13 . Начало участка защиты откоса ( берегового склона ) подпорно - оседающими стенами , с целью предотвращения повреждения одевающих стен с торца , целесообразно защищать путем заделки первых секций оседающих массивов в откос ( береговой склон ) или посредством постройки шпоры , располагаемой с верховой стороны участка защиты и отклоняющей поток в сторону .
2 . СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ ИЗЫСКАТЕЛЬСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ
2.1 . Для составления проекта защиты откоса ( берегового склона ) подпорно - оседающими стенами требуется предварительно осуществить следующие топографо-геодезические и гидрометрические работы :
а ) сбор сведений и изучение материалов о режиме реки ( в частности , о гидрографе прохождения паводков );
б ) съемку местности в пределах долинного участка реки в масштабе 1:500 или 1:1000;
в ) съемку поперечных профилей земляного полотна ( или берега реки ) и морфостворов в масштабе 1:100 или 1:200;
г ) съемку продольного профиля участка реки в масштабе : горизонтальном 1:500 или 1:1000, вертикальном 1:50 или 1:100;
д ) промер глубин реки на участке поперечных профилей земляного полотна и морфостворов ;
е ) измерение скорости течения реки при паводках в береговой зоне .
Помимо указанного осуществляется сбор и анализ сведений о работе ближайших берегоукрепительных сооружений ; ближайших существующих и проектируемых ГЭС и других гидротехнических сооружениях для суждения о возможных изменениях гидрологического режима на перспективу ; существующих и проектируемых коммуникациях , о наличии строительных материалов ; метеоданных .
Все гидрометрические работы выполняют в соответствии с « Наставлением по изысканиям и проектированию железнодорожных и автомобильных мостовых переходов через водотоки » ( НИМП -72) [ 1].
2.2 . Границы съемки продольного профиля реки должны охватывать весь участок предполагаемого укрепления , а также участки вверх по течению ( на длину трехкратной ширины реки ) и вниз по течению ( на протяжении одной ширины реки ) с захватом противоположного берега .
В случаях , когда осуществление промерных работ невозможно ( из - за большой скорости течения реки или недоступности противоположного берега , предназначенного для закрепления троса , к которому подвешивают промерную люльку ), ограничиваются промерными работами в доступных местах укрепляемого берега , а заложение морфостворов снимают с плана местности , нанося в неизвестных точках ориентировочные глубины воды , исходя из скорости течения в межень и уклона реки .
2.3 . Инженерно - геологическими обследованиями должны быть установлены - характер и глубина залегания коренных пород на склонах долины у берега и в русле реки , тол щина и род делювиального покрова склона , грунты насыпной части земляного полотна , мощность и гранулометрический состав аллювиальных отложений у берега и в русле реки . Желательно также получить данные о характере русловых процессов и устойчивости русла реки.
2.4 . Для расчетов устойчивости и конструирования подпорно - оседающих стен требуется получение следующих физико-механических параметров грунтов :
удельного веса частиц грунта засыпки ( удельного веса );
взвешенного удельного веса грунта засыпки ( взвешенного объемного веса грунта );
удельного веса того же грунта ( объемного веса грунта );
пористости грунта засыпки ;
естественной влажности грунта засыпки ;
расчетных значений углов внутреннего трения грунта засыпки и грунта основания подпорно - оседающей стены ;
коэффициента фильтрации грунта засыпки ;
гранулометрического ( фракционного ) состава грунта в подошве оседающего массива .
2.5 . Помимо параметров , указанных в п . 2.4 , для расчетов устойчивости и конструирования подпорно - оседающих стен необходимо дополнительно иметь следующие сведения :
расположение и характер подвижной нагрузки на призме обрушения ;
расчетную сейсмичность участка береговой зоны , где предполагается устройство подпорно - оседающей стены ;
толщину льда и его прочностные параметры ( в частности , прочность на изгиб ).
2.6 . При проведении инженерно - геологических изысканий рекомендуется учитывать требования главы СНиП [ 2 ], Методических рекомендаций , указаний и государственных стандартов [ 3 - 6 ].
3 . РАСЧЕТ ПОДПОРНО-ОСЕДАЮЩИХ СТЕН
3.1 . Расчет на прочность ( несущую способность ) грунта основания , как правило , не производится в связи с тем , что для оседающих массивов он лишен смысла , а несущая способность грунта под подошвой одевающих стен обычно бывает достаточной , поскольку грунт здесь представлен преимущественно гравийно - галечно -в алунным материалом . Проверку одевающей стены на прочность по материалу можно осуществлять по общепринятому способу расчета прочности подпорных стен .
Расчет подпорно - оседающих стен включает в себя :
а ) оценку устойчивости их на опрокидывание и сдвиг , в том числе с учетом сейсмических воздействий ;
б ) прогноз вероятной глубины размыва ( величины осадки массивов );
в ) определение возможного ледового воздействия .
Специфика расчета устойчивости подпорно - оседающих стен обусловлена тем , что они ( в отличие от обычных подпорных стен , в том числе и гидротехнических ) находятся не только в условиях гидростатического воздействия , но и заведомо ориентированы на деформации ( оседание ) в процессе эксплуатации . В связи с изложенным проверку устойчивости подпорно-оседающих стен следует осуществлять не только для условий первоначального положения оседающего массива , но и с учетом опускания его в наинизшее проектное положение .
3.2 . Устойчивость подпорно - оседающих стен рекомендуется рассчитывать по первому предельному состоянию ( на опрокидывание и скольжение ). Расчет выполняют как для плоской задачи . При этом рассматривают участок стены длиной 1 м . Нагрузки , действующие на стену и на поверхность грунта за стеной , приводятся к рассматриваемому участку стены .
3.3 . Расчет устойчивости подпорно - оседающей стены против опрокидывания осуществляется по формуле
( 4)
где Муд - расчетное значение обобщенного момента удерживающих сил ( с учетом коэффициента безопасности по грунтам ) относительно выбранной точки, кН × м ;
Мопр - расчетное значение обобщенного момента опрокидывающих сил ( с учетом коэффициентов перегрузки ) относительно той же точки, кН × м ;
Кн - коэффициент надежности , который принимается равным для сооружений
1- го класса ................................. 1,25
2- го ............................................. 1,20
3- го ............................................. 1,15
4- го ............................................. 1,10;
nc - коэффициент сочетания нагрузок ;
m - коэффициент условий работы .
Значения коэффициентов перегрузки n для рассматриваемых условий приведены в таблице .
Классификация нагрузок |
Нагрузки |
Коэффициент перегрузки , n |
Постоянные |
От собственной массы строительных конструкций |
1,05 (0,95) |
|
От бокового давления грунта |
1,2 (0,8) |
|
От воздействия воды |
1,0 |
Кратковременные |
От воздействия железнодорожного подвижного состава |
1,3 |
Особые |
От сейсмического воздействия |
1,0 |
Примечани я : 1. При определении нагрузок от грунта ( вертикального давления от веса грунта и бокового давления грунта ), в случаях использования расчетных значений угла внутреннего трения , сцепления и удельного веса грунта ( т . е . нормативных их значений , измененных на коэффициент безопасности по грунтам ) коэффициент перегрузки принимается равным 1.
2 . Значения коэффициентов перегрузки , указанные в скобках , принимаются в тех случаях , когда их использование создает наиневыгоднейшие условия для устойчивости .
3.4 . Коэффициент сочетания нагрузок nc учитывает вероятность неблагоприятного сочетания временных нагрузок или воздействий и должен вводиться при наличии двух или более кратковременных воздействий .
При воздействии на сооружение постоянных и одной кратковременной нагрузки nc = 1.
При воздействии же постоянных и двух или более кратковременных нагрузок , расчетные значения последних следует умножать на nc = 0,9.
Особые сочетания нагрузок состоят из основных сочетаний , дополненных одной из особых нагрузок ( сейсмического воздействия , влияния взрыва ). В этом случае величины кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания nc = 0 ,8.
3.5 . Коэффициент условий работы m , учитывающий вид предельного состояния , приближенность расчетных схем и другие факторы , принимают для бетонных и железобетонных сооружений на полускальном и нескальном основаниях, равным m = 1. Для поверхностей сдвига , проходящих по контакту бетон - скала или в массиве основания частично по трещинам , частично по монолиту , m = 0,95.
3.6 . При использовании выражения ( 4 ) к опрокидывающим силам следует относить силы активного давления грунта на тыловую грань стены , давление воды на эту же грань и противодавление на нижние грани стены , а также сейсмические силы , к удерживающим относят все остальные силы .
При определении Мопр моменты опрокидывающих сил или их составляющих , не совпадающих с направлением опрокидывания , учитывают со знаком минус . Аналогично учитывают при определении Муд моменты удерживающих сил или их составляющих , совпадающих с направлением опрокидывания .
3.7 . Расчет устойчивости подпорно-оседающей стены против скольжения осуществляется по формуле
( 5)
где N уд - проекция расчетных значений обобщенных удерживающих сил на предполагаемую плоскость скольжения ( с учетом коэффициента безопасности по грунтам ), кН ;
N сдв - проекция расчетных значений обобщенных сдвигающих сил на предполагаемую плоскость скольжения ( с учетом коэффициентов перегрузки ), кН ;
значения всех остальных коэффициентов такие же , как и в формуле ( 4).
3.8 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену при первоначальном положении оседающего массива ( до его опускания в воронку размыва ) для случая горизонтального очертания поверхности застенной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на этой поверхности представлена на рис . 3 . Эти нагрузки включают в себя :
активное давление грунта засыпки на тыловую грань одевающей стены 5 - 10 ( условно спрямленную ) - кН ;
гидростатическое давление воды с тыловой и лицевой стороны подпорно-оседающей стены Епр в и Елв, кН ;
вертикальное давление воды на лицевую грань Q 1 в , Q 2 в , кН ;
противодавление воды u п1 , u п2 , u п3 , кН;
собственный вес подпорно - оседающей стены , складывающийся в рассматриваемом случае из веса элементов оседающего массива Р1 , Р2 , Р3 , Р4 , к Н и веса одевающей стены G 1 , G 2 , кН.
3.9 . Расчет устойчивости подпорно - оседающей стены применительно к схеме на рис . 3 целесообразно осуществлять для наиневыгоднейшего случая , когда горизонт воды справа h п р ( за тыловой гранью ) соответствует расчетному горизонту высоких вод принятой повторяемости , а горизонт слева h л ( у лицевой грани ) ниже го ризонта высоких вод на D h ( перепад высот , который обычно берется в пределах от 0,25 до 0,5 м ).
Рис . 3 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену при первоначальном положении оседающего массива ( до его опускания ) для случая горизонтальной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на поверхности
Поскольку одна часть грунта засыпки находится во взвешенном состояния , а другая - в сухом , то для упрощения расчета предлагается вычислять условную высоту засыпки Нусл, получаемую после приведения грунта естественной влажности к одному удельному весу со взвешенным грунтом по формуле
( 6)
где g ест , g в зв - соответственно удельный вес грунта засыпки , находящегося в естественном и взвешенном состоянии , к Н / м3 ;
остальные обозначения очевидны из рис . 3.
Удельный вес грунта во взвешенном состоянии определяют
g взв = ( g уд - g в ) × (1 - V пор ), ( 7)
где g уд - удельный вес частиц грунта , кН / м3 ;
g в - удельный вес воды , кН / м3 ;
V пор - объем пор в единице объема грунта ( пористость ) в долях единицы .
3 .10 . Для определения активного давления грунта засыпки н а тыловую грань одевающей стены предварительно определяют активное давление грунта Еа ( кН ) на фиктивную тыловую грань
( 8)
где l а - коэффициент активного давления грунта , определяемый в рассматриваемом случае по формуле
( 9)
где j - угол внутреннего трения грунта засыпки , град ;
d - угол трения о боковую поверхность стены , град .
При расчетах рекомендуется использовать расчетные значения j , получаемые путем деления нормативных значений их на коэффициент безопасности ( в соответствии с указаниями СНиП по нормам проектирования оснований зданий и сооружений [ 5], а также ГОСТа по статистической обработке результатов определений грунтовых характеристик [ 6]).
При предварительных расчетах , а также для окончательных расчетов объектов III и IV классов капитальности допускается пользоваться нормативными значениями j .
Аналогичные требования можно распространить на значения удельного веса грунта .
Сила Е a прикладывается к фиктивной грани АД на расстоянии z от подошвы стены ( точки А на рис . 3); при этом в рассматриваемом случае
( 10)
Искомое давление Е a , в кН , на условную тыловую грань 5 - 10 определяют по выражению
( 11)
где e - угол наклона тыловой условной грани 5 - 10 подпорно - оседающей стены к вертикали , град ;
Точку приложения силы принимают расположенной на уровне точки приложения силы Е a , а направление ее берут под углом d к нормали , проведенной к условной тыловой грани 5 - 10. При tg e × tg j ³ 1 принимают = 0.
3.11 . Давления воды ( в кН) на тыловую ( Епрв ) и лицевую ( Елв ) грани стены вычисляют по формулам :
( 12)
( 13)
где h пр , h л - уровни воды соответственно с тыловой и лицевой стороны , м .
Равнодействующие давлений воды во всех случаях прикладываются к центру тяжести соответствующих эпюр их распределения .
3.12 . Вертикальное давление воды ( в к Н ) на лицевую грань определяют по выражениям :
( 14)
( 15)
где S 1 , S 2 - соответственно площади 0-11-12-6 и 6-12-13 на рис . 3, м2 .
Противодавление воды ( в кН ) можно определить по формулам:
( 16)
( 17)
( 18)
Равнодействующие сил противодавления прикладываются к центрам тяжести соответствующих эпюр их распределения . Учитывают лишь противодавление взвешивания ; фильтрационное противодавление не учитывается , в связи с его незначительностью для рассматриваемых условий .
3.13 . Собственный вес подпорно - оседающей стены вычисляют , как правило , отдельно для оседающего массива и одевающей стены , поскольку их обычно делают из разных материалов . Для упрощения расчетов сечение подпорно - оседающей стены иногда бывает целесообразно разделить на отдельные простые фигуры ( элементы ). В частности , ( см. рис. 3 ) оседающий массив разделен на 4 части с весом Р1 , Р2, Р3 , Р4 ; одевающая стена разбита на два элемента с весом G 1 и G 2 ( с учетом конфигураций после проведения условной тыловой грани 3 - 10).
Вычисляют веса ( в кН ) отдельных элементов подпорно - оседающей стены ( см . рис . 3):
( 19)
( 20)
( 21)
( 22)
( 23)
( 24)
где S 1 , S 2 , S 3 , S 4 - площади фигур , составляющих сечение оседающего массива , м2 ;
g o м - у дельный вес материала оседающего массива , кН / м3 ;
Ω 1 , Ω 2 - площади фигур , на которые разбито сечение одевающей стены , м2 ;
g о с - удельный вес материала одевающей стены , кН / м3 .
3.14 . Оценка устойчивости подпорно - оседающей стены , применительно к схеме на рис . 3 , по первой группе предельных состояний на опрокидывание ( в соответствии с формулой ( 4 )) осуществляется в следующей последовательности .
Прежде всего , в соответствии с указаниями пп . 3.3 - 3.5, определяем расчетные значения нагрузок и воздействий , перечисленных в п . 3.8. При этом принимаем наиневыгоднейшее сочетание коэффициентов перегрузки в соответствии с таблицей , т . е . нагрузку от активного давления грунта , поскольку она способствует нарушению устойчивости , принимаем с наибольшим коэффициентом ( n = 1,2), а нагрузки от собственного веса элементов подпорно - оседающей стены , в связи с тем , что они противодействуют опрокидыванию - с наименьшим коэффициентом ( n = 0,95). Нагрузки от воздействия воды , в соответствии с указаниями таблицы , принимают с коэффициентом перегрузки n = 1.
Таким образом , для расчетов п ринимаем
Для выполнения дальнейших расчетов силу раскладывают на горизонтальную и вертикальную составляющие :
( 25)
( 26)
Затем вычисляют численные значения моментов опрокидывающих и удерживающих сил относительно точки 0 или t . Вычисление моментов целесообразно делать как относительно точки 0, так и t , а за окончательный брать наиневыгоднейший результат в соответствии с формулой ( 4).
Применительно к расчетной схеме на рис . 3 моменты опрокидывающих и удерживающих сил ( кН × м ) относительно точки 0 определяют по выражениям :
( 27)
( 28)
где l 1 - l 11 - расстояния от точек приложения соответствующих сил до точки О ( плечи сил ), определяемые аналитически или графическим путем , м .
Зная величины Муд и Мопр, формуле ( 4) производят оценку устойчивости подпорно - оседающей стены на опрокидывание .
В связи с отсутствием кратковременных нагрузок и сейсмических воздействий в рассматриваемых на рис . 3 условиях принимаем коэффициент сочетания нагрузок nc = 1.
Коэффициент условий работы в рассматриваемых условиях ( как для железобетонных сооружений на нескальных основаниях ) принимают равным m = 1.
Таким образом , в рассматриваемой на рис . 3 расчетной схеме выражение ( 4) примет вид :
( 29)
3.15 . Для оценки устойчивости подпорно - оседающей стены , изображенной на рис . 3 , против скольжения ( по формуле ( 5 )) определяют расчетные значения сдвигающих и удерживающих сил в проекции на плоскость o t :
( 30)
( 31)
где j т - угол трения подошвы массива о t по грунту ( практически равный углу внутреннего трения грунта ), град .
После этого , принимая во внимание формулу ( 5) и значения n = 1, m = 1 ( из тех же соображений , которые приведены в п . 3.14), производят оценку устойчивости п одпорно - оседающей стены против скольжения по выражению
( 32)
3.16 . Ес ли условия ( 29 ) и ( 32 ) не выполняются , то следует проектировать подпорно - оседающую стену заново с целью повышения устойчивости и достижения выполнения указанных условий . Для этого можно увеличить толщину оседающего массива , изменить угол его наклона , нарастить оседающий массив противовесом , увеличить габариты одевающей стены .
3.17 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену после опускания оседающего массива на проект ную ( заданную ) глубину размыва h разм для случая горизонтального очертания поверхности застенной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на этой поверхности приведена на рис . 4 .
Для удобства практических расчетов тыловая поверхность стены заменена условной ломаной гранью М N t . Это создает некоторую специфику в определении величины активного давления грунта засыпки . Остальные нагрузки и воздействия определяют аналогично вышеизложенному ( см . пп . 3.12, 3.13).
Последовательность определения активного давления принимается следующей .
Строится эпюра напряжений на фиктивную грань ДА для всей высоты Нусл , которую определяют по формуле ( 6). При этом ордината эпюры в верхней части р1 = 0 ( поскольку в рассматриваемой схеме нет внешней нагрузки ), а ординату р2 на уровне подошвы ( в точке А ) определяют
Р 2 = g взв × Нусл × l а , ( 33)
где l а вычисляют по формуле ( 9).
Силу активного давления Еа здесь разделяют на две части Е ¢ а и Е ² а , приходящиеся на верхний и нижний участки стены .
Величина верхней силы
( 34)
Высоту приложения z ¢ этой силы ( считая от точки B фиктивной грани ) находят
( 35)
Давление на верхний участок условной тыловой грани определяют по выражению
( 36)
где e 1 - угол наклона к вертикали верхнего участка условной тыловой грани , град .
Рис . 4 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену после опускания оседающего массива на проектную ( заданную ) глубину размыва h разм для случая горизонтальной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на поверхности
Точку приложения силы принимают на уровне точки приложения силы , а направление ее - под углом d к нормали , проведенной к верхнему участку условной тыловой грани МN ( см . рис . 4).
Величину нижней силы Е ² а устанавливают равной части 1-2-4-3 площади эпюры давления грунта на вертикальную ф иктивную грань АД ; приложена она в центре тяжести участка эпюры 1-2-4-3 на высоте z ² , считая от точки А фиктивной грани .
Давление на нижний участок условной тыловой грани
( 37)
где e 2 - угол наклона к вертикали нижнего участка условной тыловой грани , град .
Точку приложения силы принимают на уровне точки приложения силы , а направление ее берут под углом d к нормали , проведенной к нижнему участку тыловой грани N t ( см . рис . 4). Давление воды на тыловую и лицевую грани стены вычисляют по формулам ( 12) и ( 13).
Вертикальное давление воды определяют в соответствии с формулами ( 14) и ( 15).
Противодавление воды в рассматриваемом случае определяют :
- по формуле ( 16)
( 38)
( 39)
Собственный вес элементов подпорно - оседающей стены в этом случае определяют по формулам ( 19) - ( 24). При этом за Ω1 принимают площадь НД10Р , а за Ω2 - площадь РС N Л .
3.18 . Оценивать устойчивость подпорно - оседающей стены применительно к схеме на рис . 4 следует аналогично пп . 3.14 - 3.16 .
При этом
( 40)
( 41)
Горизонтальные составляющие сил активного давления равны :
( 42)
( 43)
а вертикальные их составляющие :
( 44)
( 45)
При вычислении моментов опрокидывающих сил по формуле ( 27) и сдвигающих сил по формуле ( 29) вместо горизонтальных и вертикальных составляющих одной силы в схеме на рис . 3 вводят соответствующие составляющие сил и .
3.19 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену после опускания оседающего массива на проектную ( заданную ) глубину размыва h разм для случая наклонной под углом a к горизонтальной поверхности застенной засыпки с приложенной к ней равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q , кН /м, изображена на рис . 5 .
В этом случае рекомендуется такая последовательность операций при выполнении расчетов устойчивости.
Определяется расчетное значение интенсивности нагрузки
qp = q × n, ( 46)
где n - коэффициент перегрузки , принимаемый при учете подвижных временных нагрузок от железнодорожного состава ( в соответствии с данными таблицы n = 1,3;
для нагрузок от колонны автомобилей n = 1,4;
для нагрузок от транспортных единиц автомобильных и городских дорог n = 1,1.
После этого строят эпюру распределения давлений на фиктивную грань ДА с учетом H у сл , определяемой по формуле ( 6). При этом ордината в верхней части этой эпюры ( см . рис . 5 )
р 1 = qp × l ¢ a , ( 47)
а на глубине Нусл на уровне подошвы оседающего массива в точке А
р 2 = ( g взв × Нусл + qp ) × l ¢ а . ( 48)
Здесь
( 49)
qp - интенсивность равномерно распределенной нагрузки с учетом коэффициента перегрузки , кН / м ;
a - угол наклона поверхности застенной засыпки к горизонту , град .
Затем определяют активное давление Е ¢ a на верхний участок фиктивной грани ДВ
( 50)
где l ¢ a вычисляют по формуле ( 49).
Сила Е ¢ a прикладывается от точки В на расстоянии z ¢ ( см . рис . 5), определяемом в этом случае по формуле
( 51)
Активное давление E ² a на нижнем участке фиктивной грани ( А B ) принимают равным площади части эпюры давления 1-2-4-3 на вертикальную фиктивную грань ДА ( см . рис . 3), а точка его приложения помещается в центре тяжести этого участка эпюры, находящегося графическим путем или аналитически . После ее нахождения определяют расстояние силы Е ² а до подошвы z ² .
Весь последующий процесс определения величины сил и , а также приложения к участкам условной тыловой грани , вычисления расчетных значений и хода расчетов на опрокидывание и скольжение одинаков с изложенным выше для схемы на рис . 4.
3.20 . Схема приложения нагрузок на подпорно - оседающую стену после опускания оседающего массива на проектную ( заданную ) глубину размыва h разм для случая изменяющегося очертания поверхности застойной засыпки с приложением к ней произвольной нагрузки приведена на рис. 6 .
Рис . 5 . Схема приложения нагрузок , на подпорно - оседающую стену с засыпкой , имеющей наклонную поверхность , с приложенной к ней равномерно распределенной нагрузкой
Рис . 6 . Схема к расчету подпорно - оседающей стены при меняющемся очертании поверхности засыпки и произвольной нагрузке
В рассматриваемых условиях расчеты устойчивости рекомендуется выполнять в изложенной ниже последовательности.
Силу активного давления грунта на фиктивную грань ДА определяют методом попыток как наибольшее из значений Е i , подсчитанных по формуле
( 52)
где Gi - сумма веса G гр предполагаемой призмы обрушения АДД i ( с учетом взвешивания грунта ) и равнодействующей расположенной на ней нагрузки ( с учетом своих коэффициентов перегрузки );
q i - угол между предполагаемой плоскостью обрушения и горизонтальной плоскостью ( см. рис. 6).
Значение q i , которому соответствует наибольшее значение Е i , определенное по формуле ( 52), принимают за расчетный угол.
Активную силу от веса призмы обрушения Егр после этого определяют
( 53)
При этом считают , что сила Егр является равнодействующей , эпюра которой имеет вид треугольника . Расстояние z гр от то чки приложения этой силы до подошвы массива ( точка А ) вычисляют по формуле
z гр = Нусл / 3. ( 54)
Силу Е q от нагрузки q , расположенной на призме обрушения и распределенной по ширине a ( см. рис . 6) определяют по формуле
( 55)
Расстояние zq от точки приложения силы Е q до точки А определяют по выражению
zq = Н + ho - х × tg q , ( 56)
где ho - разность отметок уровня поверхности грунта под центром полосы шириной a и точкой Д ( см . рис . 6);
x - расстояние между фиктивной гранью стены и осью полосы нагрузки шириной a . Если часть полосы железнодорожной нагрузки оказывается за пределами призмы обрушения , то под размером « a » следует понимать ширину той части полосы , которая расположена на призме обрушения .
После установления величины сил Е q и Егр и их положения вычисляются значения этих сил при приложении к условной осредненной тыловой грани D t ( см . рис . 6), угол наклона которой к вертикали обозначен через e 3 по формулам :
( 57)
( 58)
После этого последовательность расчетов такая же , как и для расчетных схем на рис . 4 и 5.
3.21 . Учет сейсмического воздействия при расчетах устойчивости подпорно - оседающих стен сводится к тому , что в дополнение к силам , приведенным в расчетных схемах на рис . 3 - 6 , вводят дополнительные усилия ( рис . 7 ):
а ) сейсмического давления несвязного грунта засыпки;
б ) сейсмических сил инерции массы элементов самой стены ;
в ) дополнительного инерционного давления воды .
Рис . 7 . Схема приложения нагрузок и воздействий на подпорно - оседающую стену в условиях сейсмического воздействия
Дополнительное сейсмическое давление грунта засыпки учитывают путем увеличения соответствующего активного давления
( 59)
где Еа - активное давление грунта ( кН ), вычисленное в зависимости от схемы расчета , по формулам ( 8), ( 34), ( 37), ( 50);
Qc - активное давление грунта с учетом сейсмики , кН ;
j - расчетное значение угла внутреннего трения грунта , град ;
К c - коэффициент сейсмичности , равный для расчетной сейсмичности :
7 баллов ............................ Kc = 0,025
8 ........................................ К c = 0,050
9 ........................................ К c = 0,100
Поскольку во время землетрясения сила сейсмического воздействия может иметь любое направление , то условно принимают направление активного давления грунта с учетом сейсмики горизонтальным ( наиболее неблагоприятным с точки зрения устойчивости ) и в последующем не делают поправки на наклон грани e , как для условий отсутствия сейсмики ( хотя это и не исключает проверок на устойчивость с учетом указанной поправки ).
Сейсмические силы инерции Soi ( в кН ), вызываемые массой элементов самой подпорно-оседающей стены , рекомендуется определять по формуле
Soi = 1,5 × Goi × Kc, ( 60)
где Goi - вес отдельных элементов , сейсмическую силу инерции которых определяют в кН .
Эти силы прикладываются в центре тяжести соответствующих элементов подпорно -о седающей стены и направляются горизонтально в речную сторону ( см. рис. 7).
Дополнительное инерционное давление воды å Р z ( в кН ) для рассматриваемых условий определяют по формуле :
( 61)
Оно прикладывается в центре тяжести эпюры инерционного давления воды горизонтально по направлению в сторону реки ( см . рис . 7).
3.22 . При расчетах устойчивости подпорно - оседающей стены в условиях сейсмического воздействия следует величины кратковременных нагрузок ( например , от веса подвижного состава ) умножать на коэффициент сочетания nc = 0,8.
После установления величины и направления нагрузок, вызываемых сейсмическим воздействием ( см . рис . 7), последующий расчет устойчивости осуществляется аналогично изложенному для схем , изображенных на рис . 3 - 6.
3.23 . Прогнозируемую глубину размыва у основания подпорно - оседающих стен , необходимую для расчета величины опускания оседающего массива , h разм , м, рекомендуется вычислять по формуле Рекомендаций [ 7 ]
( 62)
в которой Vp - расчетная скорость потока у подошвы защищаемого откоса ( берегового склона ), м / с ;
h п - глубина потока у подошвы защищаемого откоса ( берегового склона ), м;
g - ускорение силы тяжести (9,8 м / с2 );
d - средний диаметр фракций грунта , глубину размыва которого прогнозируют , м .
В случае , если глубина размыва по расчету получается большой , то ее можно уменьшить за счет , например , предварительной отсыпки на дно реки в месте расположения оседающих массивов бермы из более крупных камней , чем те , которые находятся в естественном русле .
3.24 . Оценка ледового воздействия на возможность смещения оседающего массива ( или его элемента в процессе монтажа ) осуществляется по формуле
Рн < Q м × tg j т , ( 63)
где Q м - вес оседающего массива ( или его элемента в процессе монтажа ), кН;
j т - угол внутреннего трения подошвы массива о грунт основания , град ;
Рн - равнодействующая ледового воздействия , кН ;
( 64)
Здесь Рв и Рг - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие ледового воздействия , [ 8] на рис . 8, кН ;
Рис . 8 . Схема воздействия льдины на оседающий массив подпорно - оседающей стены :
1 - льдина ; 2 - оседающий массив
( 65)
где s и - предел прочности льда на изгиб ( ориентировочно s и = 0,6 МПа . Более точно s и берут по справочникам и другим данным );
в - ширина льдины в сечении 1-1 ( для расчетов берется 1 м ), м;
h - толщина льда , м ;
l - расстояние от откоса до места излома , м .
Ориентировочно принимается
l = (3 ÷ 6) × h ; ( 66)
( 67)
где a м - угол наклона поверхности оседающего массива к горизонту, град .
В случае , если условие ( 63) не выполняется , необходимо соответственно увеличить величину Q м . При этом предполагают возможность смещения оседающего массива ( или его элемента ) в направлении течения при косом ударе в него льдин .
4 . ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ
4.1 . Работы по сооружению подпорно - оседающих стен начинают с подготовки основания , выравниваемого слоем щебня толщиной 10 - 15 см . На выровненное основание устанавливают автокраном блоки нижнего ряда одевающей стены .
После установки нижнего ряда блоков одевающей стены их засыпают ( если они пустотелые ) скальными обломками или местным грунтом . Грани блоков со стороны засыпки ( насыпи ) обмазывают двумя слоями горячего битума .
При наличии в основании после его подготовки выступающих глыб допускается местная замена блоков монолитным бетоном .
4.2 . Вслед за установкой нижнего ряда блоков одевающей стены , их засыпки и обмазки тыловой грани битумом производят отсыпку грунта за застенным пространством слоями толщиной 35 - 40 см , разравниваемых бульдозером и уплотняемых . Затем устанавливают второй ( и последующие ) ряд блоков , и все указанные выше операции повторяют .
4.3 . Блоки одевающей стены в каждой ее секции кладут на слой цементного раствора . Швы между смежными боковыми гранями блоков в секции также заполняют цементным раствором и тщательно затирают . Между смежными секциями оставляют температурные швы .
Монтаж нижних рядов блоков рекомендуется выполнять в период установившегося меженного горизонта воды . Верхнюю часть одевающей стены обычно выравнивают до проектных отметок монолитным бетоном и в необходимых случаях завершают парапетом .
4.4 . Внешнюю плоскость одевающих стен покрывают толем для облегчения опускания оседающих массивов . Допускается устанавливать толевую прокладку не по всей поверхности одевающей стены , а лишь в местах укладки монолитного бетона .
4.5 . При монтаже оседающих массивов в первую очередь устанавливают автокраном их нижние блоки ( при вариантах сборно - монолитных конструкций оседающих массивов ), после установления нескольких рядов блоков одевающей стены .
Установку верхних блоков оседающих массивов и их омоноличивание осуществляют после завершения работ по возведению одевающей стены . После этого на оседающие массивы устанавливают противовесы ( там , где они предусмотрены ).
4.6 . Примеры расчетов устойчивости подпорно - оседающих стен , глубины размыва и оценки сейсмического воздействия приведены в приложении .
Приложение
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример расчета устойчивости подпорно - оседающей стены при первоначальном положении оседающего массива ( до его опускания в воронку размыва ) для случая горизонтального очертания поверхности застенной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на этой поверхности ( применительно к рис . 3)
Требуется рассчитать1 устойчивость стены , изображенной на рис . 3, против опрокидывания и скольжения при следующих условиях :
1 При расчетах использовались численные значения величин в старой системе единиц .
Общая высота стены ..................................................................... Н = 10 м
Удельный вес грунта засыпки в естественном состоянии ........ g ест = 1,8 тс / м3 (18 кН / м3 )
Объем пор грунта засыпки ........................................................... V пор = 0,2
Удельный вес частиц грунта ........................................................ g уд = 2,0 тс / м3 (20 кН / м3 )
Угол внутреннего трения грунта засыпки ................................... j = 30 °
Угол трения о боковую поверхность стены ............................... d = 15 °
Горизонт воды справа ................................................................... h пр = 9 м
Горизонт воды слева ..................................................................... h л = 8,5 м
Удельный вес материала оседающих массивов
и одевающей стены ....................................................................... g в м = g о с = 2,5 тс / м3 (25 кН / м3 )
Угол наклона подпорно - оседающей стены к
вертикали ....................................................................................... e = 30 °
Толщина оседающего массива ...................................................... 1,7 м
Толщина одевающей стены
( после проведения условной тыловой грани ) ............................ 1,3 м
Прежде всего , по формулам ( 7) и ( 6) определяем з начения g взв и Нусл
g взв = (2,5 - 1,0) ´ (1 - 0,2) = 2,20 тс / м3 ;
Нусл = 9 + (10 - 9) ´ 1,8 / 1,2 = 10,5 м .
Для вычисления активного давления грунта засыпки по формуле ( 8) предварительно по выражению ( 9) определяем коэффициент активного давления грунта
Следовательно ,
Еа = (1,20 ´ 10,52) / 2 ´ 0,30 = 19,8 тс.
Давление на условную тыловую грань определяем по выражению ( 11 ):
= 19,8 ´ (1 - tg 30 ° ´ tg 30 ° )2 = 19,8 ´ 0,446 = 8,8 тс .
Точку приложения сип Е a и находим по формуле ( 10)
z = 10,5 / 3 = 3,5 м .
Давление воды на тыловую и лицевую грани стены определяем по формулам ( 12) и ( 13):
Епрв = (1 ´ 92) / 2 = 40,5 тс ;
Елв = (1 ´ 8,52) / 2 = 36 тс.
Вертикальное давление воды по выражениям1 ( 14) и ( 15):
Q 1 в = (8 + 6) / 2 ´ 0,3 ´ 1 = 2,1 тс ;
Q 2 в = (6 + 3,5) / 2 ´ 1 = 10,5 тс ;
1 Размеры при вычислении площадей S 1 и S 2 в формулах ( 14 ) и ( 15 ) получены графически .
Противодавление воды по формулам ( 16) - ( 18):
= 1 / 2 ´ 1 ´ (8,2 + 8,5) ´ 0,6 = 5,0 тс ;
= 1 ´ 8,5 ´ 1,5 = 12,8 тс ;
= (1 ´ 8,5) / 2 ´ 6 = 25,5 тс.
Собственный вес элементов2 подпорно - оседающей стены применительно к рис . 3 согласно формулам ( 19) - ( 24):
Р1 = 9,5 ´ 1,7 ´ 2,5 = 40,4 тс ;
Р2 = (1,7 ´ 1,1) / 2 ´ 2,5 = 2,3 тс ;
P 3 = 0,7 ´ 2,3 ´ 2,5 = 4,0 тс ;
Р4 = 2,3 ´ 1,0 ´ 2,5 = 5,7 тс ;
G 1 + G 2 = 12,7 ´ 1,3 ´ 2,5 = 41 тс .
2 Размеры элементов при вычислении по формулам ( 19 ) и ( 24 ) получены графически .
Далее , в соответствии с указаниями п . 3.14 Рекомендаций определяем расчетные значения нагрузок и воздействий
= 8,8 ´ 1,2 = 10,6 тс ;
Р1 p = 40,4 ´ 0,95 = 38,4 тс ; Р2 p = 2,3 ´ 0,95 = 2,2 т c ;
P 3 p = 4,0 ´ 0,95 = 3,8 тс ; Р4 p = 5,7 ´ 0,95 = 5,4 тс ;
G1p + G2p = 41 ´ 0,95 = 39 тс ;
остальные нагрузки и воздействия ( Епрв; Елв; Q 1 в ; Q 2 в ; u п1 ; u п2 ; u п3 ) имеют коэффициент перегрузки n = 1 ( согласно таблице Рекомендаций ).
Для выполнения дальнейших расчетов усилие в соответствии с выражениями ( 25) и ( 26) раскладываем на горизонтальную и вертикальную составляющие :
= 10,6 ´ cos (30 ° - 15 ° ) = 10,2 тс ;
= 10,6 ´ sin (30 ° - 15 ° ) = 2,7 тс .
После установления расчетных численных значений всех усилий , приведенных на рис . 3, вычислим значения моментов опрокидывающих и удерживающих сил1 относительно точки t .
1 Предварительные сопоставительные расчеты устойчивости на опрокидывание в рассматриваемом случае показали , что устойчивость стены при опрокидывании вокруг точки t меньшая , чем при опрокидывании вокруг точки 0.
Момент опрокидывающих сил относительно точки t в рассматриваемом случае2 следующий:
2 Плечи соответствующих сил получены графическим путем .
=
= 10,2 ´ 3,8 + 2,7 ´ 3,5 + 40,5 ´ 3 - 5,0 ´ 0,3 + 12,8 ´ 0,7 + 25,5 ´ 3,3 =
= 38,8 + 9,4 + 121,5 - 1,5 + 8,9 + 84,0 = 261,1 тс × м ;
=
= 39 ´ 3,7 + 38,4 ´ 2,8 + 2,2 ´ 1,0 + 3,8 ´ 0,3 + 10,5 ´ 0,2 - 2,1 ´ 0,5 + 36,0 ´ 2,8 =
= 144,0 + 108,0 + 2,2 + 1,1 + 2,1 - 1,1 + 101,0 = 357,3 тс × м.
В соответствии с формулой ( 29)
( Кн принят как для второго класса сооружений ).
В соответствии с п . 3.15 и формулами ( 30) и ( 31) определим расчетные значения сдвигающих и удерживающих сил в проекции на плоскость о t :
N сдв = 10,2 ´ cos 30 ° - 10,2 ´ sin 30 ° ´ tg 30 ° + 2,7 ´ sin 30 ° + 2,7 ´ cos 30 ° ´ tg 30 ° + 40,5 ´ cos 30 ° - 40,5 ´ sin 30 ° ´ tg 30 ° + (5,0 + 12,8 + 25,5) ´ sin 30 ° + (5,0 + 12,8 + 25,5) ´ cos 30 ° ´ tg 3 0 ° = 10,2 ´ 0,865 - 10,2 ´ 0,50 ´ 0,58 + 2,7 ´ 0,50 + 2,7 ´ 0,865 ´ 0,58 + 40,5 ´ 0,865 - 40,5 ´ 0,50 ´ 0,58 + 43,3 ´ 0,50 + 43,3 ´ 0,865 ´ 0,58 = 8,8 - 3,0 + 1,3 + 1,3 + 35,0 - 11,8 + 21,6 + 21,8 = 75,0 тс .
N уд = (38,4 + 2,2 + 3,8 + 5,4 + 39,0 + 2,1 + 10,5) ´ sin 30 ° + (38,4 + 2,2 + 3,8 + 5,4 + 39,0 + 2,1 + 10,5) ´ cos 30 ° ´ tg 30° + 36 ´ cos 30 ° - 36 ´ sin 30 ° ´ tg 30° = 101,4 ´ 0,50 + 101,4 ´ 0,865 ´ 0,58 + 36 ´ 0,885 - 36 ´ 0,50 ´ 0,58 = 50,5 + 51,0 + 31,2 - 10,5 = 122,2 тс .
В соответствии с формулой ( 32)
Таким образом , подпорно - оседающая стена при первоначальном положении оседающего массива применительно к схеме на рис . 3, для заданных исходных условий вполне устойчива как против опрокидывания , так и против скольжения .
Пример расчета устойчивости подпорно-оседающей стены после опускания оседающего массива на проектную ( заданную ) глубину размыва для случая горизонтального очертания поверхности застойной засыпки и отсутствия внешней нагрузки на этой поверхности ( применительно к рис . 4)
Требуется рассчитать устойчивость стены , изображенной на рис . 4, против опрокидывания и скольжения при следующих условиях :
Общая высота стены , считая от верха одевающей стены до подошвы оседающего массива после его опускания ................................................................................................................ Н = 12 м
Глубина размыва ............................................................................................... h разм = 3 м
Толщина оседающего массива ......................................................................... 1,3 м
Толщина одевающей стены
( после провидения условной тыловой грани ) ............................................... 1,0 м
Угол наклона к вертикали верхнего участка условной тыловой грани ....... e 1 = 30 °
Угол наклона к вертикали нижнего участка условной тыловой граны ....... e 2 = 45 °
Горизонт воды справа ...................................................................................... h пр = 11 м
Горизонт воды слева ........................................................................................ h л = 10,5 м
Характеристика грунта засыпки и материала элементов стены такие же , как в первом примере ( т . е. g ест = 1,8 тс / м3; V пор = 0,2; g уз = 2 тс/м3; j = 30 ° ; d = 15 ° ; g о м = 2,5 тс/м3; g взв = 1,20 тс/м3).
Расчет начинаем с вычисления по формуле ( 6) величины
Нусл = 11 + (12 - 11) ´ 1,8 / 1,2 = 11 + 1,5 = 12,5 м .
Определяем величину напряжения на уровне подошвы массива по выражению ( 33):
р2 = 1,20 ´ 12,5 ´ 0,30 = 4,5 тс / м2.
По формуле ( 34) определяем величину верхней части силы активного давления
Е ¢ а = 1,20 ´ (12,5 - 3,0)2 / 2 ´ 0,30 = 16,1 тс .
Высота приложения силы Е ¢ a по формуле ( 35)
z ¢ = (12,5 - 3,0) / 3 = 3,17 м.
Давление на верхний участок условной тыловой грани
= 16,1 ´ (1 - tg 30 ° ´ tg 30 ° )2 = 7,2 тс .
Величину нижней части силы активного давления грунта устанавливаем равной площади части эпюры 1-2-3-4.
Предварительно определяем величину напряжения на уровне выше подошвы на высоту h разм. (см. рис . 4):
Величина давления
Е ² а = (3,44 + 4,50) / 2 ´ 3,0 = 11,9 тс.
Давление на нижний участок условной тыловой грани по формуле ( 37)
= 11,9 ´ (1 - tg 45 ° ´ tg 30° ) = 2,1 т .
Противодавление воды1, согласно выражениям ( 16), ( 38), ( 39):
= 1 / 2 ´ 1 ´ (10,5 + 10,2) ´ 0,5 = 5,2 т;
= 1 / 2 ´ 1 ´ 10,5 + (10,5 - 3,0) ´ 3,0 = 27,0 тс ;
= 1 / 2 ´ 1 ´ (10,5 - 3,0) ´ 4,5 = 16,9 тс .
1 Размеры при вычислении определены графическим путем.
Определяем давление воды на тыловую и лицевую грани стены
Епрв = (1 ´ 112) / 2 = 60,5 тс ;
Елв = (1 ´ 0,52) / 2 = 55,0 тс ;
Вертикальное давление воды1
1 Размеры при вычислении определены графическим путем.
Собственный вес элементов подпорно - оседающей стены , применительно к рис . 4, составит :
Р1 = 8,5 ´ 1,3 ´ 2,5 = 27,6 тс ;
Р2 = (1,3 ´ 0,8) / 2 ´ 2,5 = 1,3 тс ;
Р3 = 0,6 ´ 2,3 ´ 2,5 = 3,5 тс ;
Р4 = (2,3 ´ 0,7) / 2 ´ 2,5 = 2,0 тс ;
G 1 + G 2 = 10,2 ´ 1,0 ´ 2,5 = 25,5 тс .
Расчетные значения нагрузок и воздействий
Р1 p = 27,6 ´ 0,95 = 26,2 тс ; Р2 p = 1,3 ´ 0,95 = 1,2 тс ;
Р3 p = 3,5 ´ 0,95 = 3,3 тс ; Р4 p = 2,0 ´ 0,95 = 1,9 тс ;
G1p + G2p = 25,5 ´ 0,95 = 24,2 тс .
Горизонтальные и вертикальные составляющие активного давления грунта верхней и нижней части застенной засыпки:
После установления расчетных значений нагрузок и воздействий вычисляем моменты опрокидывающих и удер живающих1 сил относительно точки t .
1 Размеры плеч определены графическим путем
= 8,3 ´ 6,17 + 2,2 ´ 1,4 + 2,2 ´ 4,5 + 1,3 ´ 1,5 - 5,2 ´ 0,20 + 27,0 ´ 1,3 + 16,9 ´ 4,5 + 60,5 ´ 3,67 = 51,0 + 3,1 + 9,9 + 1,9 - 1,0 + 35,0 + 76,0 + 222,0 = 397,8 тс × м .
26,2 ´ 3,0 + 1,2 ´ 1,0 + 3,3 ´ 0,4 + 1,9 ´ 0,1 + 24,2 ´ 5,0 + 55 ´ 10,5 / 3 - 3,5 ´ 0,2 + 16,9 ´ 1,3 = 78,5 + 1,2 + 1,3 + 0,2 + 121,0 + 193,0 - 0,7 + 22,0 = 415,5 тс × м .
Таким образом , устойчивость рассматриваемой стены с необходимой надежностью не обеспечивается .
Для увеличения Муд предусмотрим на оседающем массиве противовес по типу , изображенному на рис . 1. Примем его высоту равной 2,5, ширину понизу 1,5, а поверху 3 м . Удельный вес материала противовеса g о п = 2,5 тс / м3.
Таким образом , вес противовеса
Рдопр = 14 ´ 0,95 = 13,3 тс .
Дополнительное увеличение моментов удерживающих сил D Муд = 13 ,3 ´ 4,5 = 60 тс × м .
Следовательно , в этих условиях
Муд = 415,5 + 60 = 475,5 тс × м ;
т . е . устойчивость стены против опрокидывания обеспечивается . Затем определяем соотношение сдвигающих и удерживающих сил в проекции на плоскость о t :
= (2 6,2 + 1,2 + 3,3 + 1,9 + 24,2 + 3,5 + 16,9 + 13,3) ´ sin 30 ° + (2 6,2 + 1,2 + 3,3 + 1,9 + 24,2 + 3,5 + 16,9 + 13,3) ´ cos 30 ° ´ tg 30° + Елв ´ cos 30 ° - Елв ´ sin 30 ° ´ tg 30° = 45,3 + 45,5 + 47,6 - 16,0 = 122,4 тс ;
= 8,3 × cos 30 ° - 8,3 × sin 30 ° × tg 30 ° + 2,2 × sin 30 ° + 2.2 × cos 30 ° × tg 30 ° + 2,2 × cos 30 ° - 2,2 × sin 30 ° × tg 30 ° + 1,3 × sin 30 ° + 1,3 × cos 30 ° × tg 30 ° + (52,2 + 27,0 + 16,9) × sin 30 ° - (5,2 + 27,0 + 16,9) × cos 30 ° × tg 30 ° = 7,2 - 2,4 + 1,1 + 1,1 + 1,9 - 0,6 + 0,6 + 0,6 + 24,5 + 24,6 = 61,0 тс ;
Таким образом , после установки противовеса принятой массы подпорно - оседающая стена при опускании массивов на проектную глубину размыва сохраняет устойчивость с необходимой надежностью .
Пример расчета устойчивости п одпорно - оседающей стены после опускания оседающего массива на проектную ( заданную ) глубину размыва при горизонтальном очертании поверхности застенной засыпки и отсутствии на ней внешней нагрузки при учете сил сейсмического воздействия для случая расчетной сейсмичности 9 баллов
Требуется рассчитать устойчивость стены , рассматриваемой в предшествующем примере ( с противовесом ) с учетом воздействия дополнительных сил , возникающих при сейсмическом воздействии ( расчетной сейсмичности 9 баллов ).
Все габаритные размеры стены и угол ее наклона , расположение горизонтов воды , характеристики грунта и материала элементов стены аналогичны им в предшествующем примере .
Прежде всего по формуле ( 59) определяем активное давление грунта засыпки с учетом сейсмического воздействия отдельно для верхнего и нижнего участка тыловой грани на рис . 4.
В результате получаем ( см . предшествующий пример ):
Следовательно , дополнительное силовое воздействие активного давления грунта за счет сейсмических сил в рассматриваемом примере составит:
для верхнего участка = 18,9 - 16,1 = 2,8 тс ;
для нижнего участка = 14,0 - 11,9 = 2,1 тс.
Точки приложения этих сил считаем совпадающими с силами Е ¢ а и Е ² а .
Сейсмические инерционные силы от массы элементов подпорно - оседающей стены , в соответствии с выражением ( 60) будут :
So од.ст = ( G ¢ 1 - G ¢ 2 ) ´ 1,5 ´ К c = 24,4 ´ 1,5 ´ 0,1 = 3,62 тс ;
So ос.м = S Ро ´ 1,5 ´ Кс = (26,2 + 1,2 + 3,3 + 1,9) ´ 1,5 ´ 0,1 = 32,6 ´ 1,5 ´ 0,1 = 4,9 тс ;
So пригруза = 13,3 ´ 1,5 ´ 0,1 = 2,0 тс .
Дополнительное инерционное давление воды определим из выражения ( 61 )
S Pz = (0,1 ´ 1 ´ 112) / 2 = 6,0 тс.
Момент опрокидывающих сил о тносительно точки t с учетом сейсмических сил Мопрс составит1
Мопрс = Мопр + So од.ст × 7,7 + So ос.м × 5,5 + So пригруза × 10,4 + Q ¢ c × 6,17 + D Q ² c × 1,4 = 397,9 + 3,62 ´ 7,7 + 4,9 ´ 5,5 + 2,0 ´ 10,4 + 6 ´ 3,7 + 2,8 ´ 6,17 + 2,1 ´ 1,4 = 397,9 + 28,0 + 27,0 + 20,8 + 22,2 + 17,3 + 2,9 = 516 тс × м ,
1 Размеры плеч определены графическим путем.
где Мопр = 397,9 тс × м - момент статических оп рокидывающих сил ( из предшествующего примера ).
Таким образом , в этом случае
т . е . с учетом сейсмических воздействий при землетрясении интенсивностью 9 баллов рассматриваемая в примере подпорно - оседающая стена может опрокинуться , несмотря на создание пригруза . Необходимо дальнейшее повышение ее устойчивости . Это можно осуществить за счет уположения ее по отношению к горизонту до 50 ° ( вместо первоначально принятого угла наклона к горизонту в 60 ° ).
В этом случае e 1 = 40 ° ; e 2 = 54 ° ( см . рис . 4).
Уположение при сохранении тех же значений Н , h разм , h п и h л ( при сохранении тех же толщин оседающего массива и одевающей стены ) вызовет изменение нагрузок и воздействий .
Хотя Е ¢ а , z ¢ , Е ² a и не изменится ( поскольку не меняются значения Н , h п , h л , j и d , а также l а ), но
16,1 ´ (1 - tg 40 ° ´ tg 30 ° ) = 4,3 тс ;
11,9 ´ (1 - tg 54 ° ´ tg 30 ° ) = 0,52 тс .
4,3 ´ 1,2 = 5,2 тс;
0,52 ´ 1,2 = 0,6 тс;
5,2 ´ cos (40 ° - 15 ° ) = 4,7 тс;
5,2 ´ sin (40 ° - 15 ° ) = 2,2 тс ;
0,6 ´ cos (54 ° - 15 ° ) = 0,4 тс ;
0,6 ´ sin (54 ° - 15 ° ) = 0,5 тс;
Епрв = 60,5 тс ( без изменения); Елв = 55,0 тс (без изменения ).
Р1 = 9 ´ 1,3 ´ 2,5 = 29 тс ; Р1р = 29 ´ 0,95 = 27,7 тс ;
Р2 = 1,3 тс ; Р2р = 1,2 тс (без изменения)
Р3 = 3,5 тс ; Р3р = 3,3 тс (без изменения)
Р4 = 2,0 тс ; Р4р = 1,9 тс (без изменения)
(G1 + G2) = 11,5 ´ 1,0 ´ 2,5 = 28,7 тс ;
(G1p + G2p) = 28,7 ´ 0,95 = 27 тс ;
P доп р = 13,3 тс ( без изменения ).
Вычислим Мопр и Муд относительно точки t от статических воздействий :
Мопр = 4,7 ´ 6,17 + 0,4 ´ 1,4 + 2,2 ´ 6,1 + 0,5 ´ 1,9 - 5,2 ´ 0,20 + 36 ´ 1,8 + 28,0 ´ 5,2 + 60,5 ´ 3,67 = 29,0 + 0,6 + 13,4 + 1,0 - 1,0 + 64,6 + 145,0 + 222,0 = 474,6 тс × м ;
Муд = 27,6 ´ 4,5 + 1,2 ´ 1,5 + 3,3 ´ 0,9 + 1,9 ´ 0,5 + 27 ´ 7,0 ´ 55 ´ 10,5 / 3 - 7,1 ´ 0,1 + 22,4 ´ 2 + 13,3 ´ 6,5 = 125,0 + 1,8 + 3,0 + 1,0 + 190,0 + 193,0 - 0,7 + 44,8 + 86,0 = 643,8 тс × м .
Но это все без учета сейсмического воздействия .
С учетом сейсмики добавляются к опрокидывающим воздействиям следующие значения :
D Q ¢ c = 2,8 тс; So од . ст . = 3,6 тс; So пригруза = 2,0 тс ;
D Q ² c = 2,1 тс; So од .м = 4,9 тс; Pz = 6,0 тс ;
В этом случае величина опрокидывающего момента возрастает и относительно точки t составит
Мопрс = Мопр + 3,6 ´ 7,7 + 4,9 ´ 5,5 + 2,0 ´ 10,4 + 6 ´ 3,7 + 3,8 ´ 6,17 + 2,1 ´ 1,4 = 398,0 + 28,0 + 27,0 + 20,8 + 22,2 + 17,3 + 2,9 = 398,0 + 118,0 = 516 тс × м;
Таким образом , при наклоне подпорно - оседающей стены к горизонту , равном 50 ° , обеспечивается устойчивость ее против опрокидывания с необходимой надежностью в случае опускания массивов на глубину 3 м .
Оценим устойчивость против скольжения .
= 105,6 ´ 0,640 + 105,6 ´ 0,765 ´ 0,58 + 55,0 ´ 0,765 - 55 ,0 ´ 640 ´ 0,58 = 67,5 + 46,6 + 42,0 - 16,6 = 139,5 тс ;
= 4,7 ´ 0,765 - 4,7 ´ 0,640 ´ 0,58 + 2,2 ´ 0,640 + 2,2 ´ 0,765 ´ 0 ,58 + 0,4 ´ 0,765 - 0,4 ´ 0,640 ´ 0,58 + 0,5 ´ 0,640 + 0,5 ´ 0,765 ´ 0,58 + (5,2 + 36,0 + 28,0) ´ 0,640 + (5,2 + 36,0 + 28,0) ´ 0,765 ´ 0,58 + (2,8 + 2,1 + 3,6 + 4,9 + 6,0 + 2,0) ´ 0,765 - (2,8 + 2,1 + 3,6 + 4,9 + 6,0 + 2,0) ´ 0,640 ´ 0,58 = 3,6 - 1,7 + 1,4 + 1,0 + 0,3 - 0,2 + 0,3 + 0,2 + 44,3 + 30,6 + 16,4 - 7,9 = 88,3 тс ;
т . е . устойчивость против скольжения также обеспечивается .
Итак , для районов с расчетной сейсмичностью 9 баллов устойчивость стены , изображенной на рис . 4, обеспечивается при условии изменения угла наклона ее к горизонту от 60 до 50 ° ( и при установке противовеса расчетной массой 13,3 тс ).
Пример расчета глубины размыва у основания подпорно - оседающей стены , необходимой для прогноза величины опускания оседающего массива
Требуется рассчитать глубину размыва русла реки в месте расположения оседающих массивов проектируемой подпорно - оседающей стены при расчетной скорости потока у подошвы защищаемого откоса V р = 5 м / с, расчетной глубине потока h п = 9 м . Средний диаметр фракций грунта русла d = 0,1 м.
По формуле ( 62)
Пример расчета величины ледового воздействия
Требуется оценить возможность смятения оседающего массива , имеющего вес G м = 16 тс , при ледовом воздействии , если
толщина льда ......................................................................... h = 1 м ;
угол наклона оседающего массива к горизонту ................. a м = 60 °
угол внутреннего трения п одошвы массива о грунт ......... j т = 3 00
удельный вес материала массива ........................................ g о м = 2,5 тс / м3
сопротивление льда на изгиб .............................................. s и = 60 тс / м2
Прежде всего по формуле ( 65) определяем
В соответствии с выражением ( 63)
Q м × tg j т = 16 ´ tg 30 ° = 16 ´ 0,58 = 9,3 тс > 6,6 тс , следовательно , массив рассматриваемого веса устойчив против ледового воздействия в указанных условиях .
Если же массив будет полностью затоплен ( взвешен ) водой , то его вес уменьшится и будет равен
16 - (16 / 2,5 ´ 1) = 16 - 6,4 = 9,6 тс , т . е . Q м взв × tg j т = 9,6 ´ 0,58 = 5,6 тс < 6,8 тс .
В этом случае ( в рассматриваемых условиях ) он может быть перемещен ледовым воздействием .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 . Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки ( НИМП -72). М. , Транспорт , 1972.
2 . СНиП II -9-78. Строительные нормы и правила . Нормы проектирования . Инженерные изыскания для строительства . Основные положения . М ., Стройиздат , 1979.
3 . Методические рекомендации по инженерно - геологическим изысканиям новых железнодорожных линий и реконструкции существующих железных дорог . М. , ЦНИИС , 1976.
4 . Методические указания по инженерно - геологическим исследованиям глинистых грунтов при изысканиях железных дорог . М ., ЦНИИС , 1969.
5 . СНиП II -15-74. Строительные нормы и правила . Нормы проектирования . Основания зданий и сооружений . М ., Стройиздат , 1975.
6 . ГОСТ 20522-75 . Грунты . Метод статистической обработки результатов определений характеристик . М ., Изд - во стандартов , 1975.
7 . Рекомендации по укреплению откосов сооружений мостовых переходов и насыпей на прижимных участках рек наброской из каменных материалов . М ., ЦНИИС , 1979.
8 . Самочкин В . Н . Воздействие ледяного покрова на откосы берегов и сооружений . Труды НИИЖТа, вып . 124, Новосибирск , НИИЖТ , 1971.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . 1 1. Общие требования . 1 2. Содержание и объем изыскательских и инженерно-геологических работ . 5 3. Расчет подпорно-оседающих стен . 6 4. Технология производства работ . 20 Приложение. Примеры расчетов . 21 Список литературы .. 30 |