Подпорная стенка. Активное и пассивное давление

Подпорная стенка

 

В общестроительном понятии подпорная стена - это  конструкционное сооружение, удерживающее от обрушения и сползания находящийся за ней массив грунта на уклонах местности (откосах, склонах, выпуклостях и впадинах поверхности участка).

При загородном строительстве подпорные стены применяют на участках местности с резким перепадом высот (оврагах, крутых склонах, холмах, и т.д.). Помимо их прямого предназначения, как инженерных сооружений, они нашли применение как художественно-декоративные элементы ландшафтного дизайна.

Все стенки, возводимые при загородном строительстве можно  условно разделить на:

а – декоративные. Используются в качестве архитектурно- художественного элемента. Применяются на плоских (ровных) и с небольшим уклоном участках как элемент ландшафтного дизайна;

б – укрепительные. Применяются для удержания грунта на уклонах местности. Широко применяются при террасировании естественных склонов с целью увеличения полезной площади для размещения элементов озеленения и благоустройства.

Основное назначение укрепительных подпорных стенок - укрепить грунт на откосах, склонах и предупредить обрушение и сползание грунта (образование оползней), которые часто наблюдаются на участках, расположенных по берегам рек, озер и прудов. Это явление особенно опасно при соседстве с оврагами, так как их неукрепленные склоны сползают практически постоянно даже от небольшого дождя или талых вод. Также подпорные стены используют при устройстве террас (о террасировании участка мы расскажем в отдельной статье). 

Опыт планирования участков на уклонах показывает, что при уклоне более 8% без подпорных стен практически не обойтись.

Помимо основных функций, укрепляющие стенки позволяют  решить ряд задач по планировке и  оформлению участка:

организовать  оптимальное террасирование;

рационально использовать садовые площади;

наполнить горизонтальные площадки, образующейся при террасировании, плодородным слоем и создать благоприятные условия для роста растений; 

разделить участок  на зоны – функциональные и эстетические.

 

Независимо от того, какой цели служит подпорная стенка, она состоит из основных частей: 

Фундамент –  подземная часть стенки;  

Тело – надземная (видимая) часть несущей конструкции;  

Дренаж и  водоотвод, необходимые для повышения  прочности подпорной стенки.

Фундамент, дренаж и водоотвод выполняют только технические функции. А тело, кроме технических функций, может решать еще и эстетические задачи.

 

а –  общий вид подпорной стенки; б  – разрез подпорной стенки, где:1 – фундамент; 2 – тело; 3 – дренажное  отверстие; 4 – дренажная труба; 5 – гравий. 

 

 

Силы  действующие на укрепляющую подпорную  стенку

(общие  понятия)

 

На подпорную  стенку постоянно действуют следующие  основные нагрузки:

А - собственный вес стенки (вертикальные силы);

Б - нагрузки на стенку от находящихся на ней грузов (вертикальные силы);

В - давление грунта засыпки на стенку и ее фундамент (вертикальные силы);

Г - давление грунта засыпки за стенкой (горизонтальные силы);

Д - силы трения или сцепления с грунтом (горизонтальные силы), 

 

Силы, действующие на стенку.

 

Силы, возникающие  от нагрузок А, Б, В, Д обеспечивают устойчивость стенки.

А вот сила Г пытается сдвинуть (создать скольжение по основанию) или опрокинуть стенку. 

 

Опрокидывание стены. 1 - положение до начала перемещения  стены, 2 - положение после перемещения стены. А – точка опрокидывания стены.

Сдвиг стены.1 - положение до начала перемещения  стены, 2 - положение после перемещения  стены. 3 - направление перемещения  стены.

 

Также при неравномерной  осадке грунта, вымывании насыпного  грунта при недостатках дренажной системы, неоднородной плотности грунта засыпки, действие сил Б и В могут привести к навалу стенки на грунт (это явление характерно для высоких стенок).

Навал высокой стены на грунт. 1 - положение  до начала перемещения стены, 2 - положение после перемещения стены.

 

Также необходимо помнить, что на стенку еще действуют  такие переодические силы: 

ветровые (при  высоте стенки более 2м); 

сейсмические (в  сейсмоопасных районах);

вибрационные (например, при интенсивном движении тяжелого колесного транспорта по рядом проходящей улице. При расположении участка недалеко от железной дороги); 

паводковые  и ливневые потоки воды; 

морозное вспучивание  грунта и т.д.

Понятие об активном давлении и пассивном  отпоре грунта

 

Активным давлением  называется давление грунта на конструкцию (подпорную стенку). В этом случае конструкция воспринимает давление грунта и может получить наиболее вероятные смещения (1, 2), обозначенные на нижнем рисунке с левой стороны.

Пассивное давление или отпор в грунте возникает тогда, когда конструкция оказывает давление на грунт (опорный фундамент арки). Такая схема работы основания представлена на нижнем рисунке с правой стороны.

 

Схема воздействия активного давления грунта на подпорную стенку и возникновения  пассивного отпора при давлении фундамента на грунт.

 

 

Давление  сыпучего грунта на вертикальную подпорную  стенку при отсутствии трения на задней гране.

 

		Вырезаем в массиве  грунта призму с главными площадками   Условия предельного равновесия:   (см. лекцию 4)
Или ,  Р2 max- наибольшие горизонтальные напряжения   - давление на стенку передается в виде ∆  эпюры Р2max - при Z=H; ЕА = площади эпюры Р2; ;             пассивный отпор грунта
Пример активного давления грунта  на фундаментную стенку здания с подвалом	Расчетная схема                       М - ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влияние сплошной равномерно распределенной нагрузки.

 

Представим эту нагрузку как некоторый слой грунта давлением Р = g0h.   h=P/g0 Тогда эпюра будет  строиться из верхней точки В1. Еа - ? (приложена в ц.т. трапеции)

Подставляем значения Р₂¹ и Р₂ и получим:

                         ,  где g₀  удельный вес грунта

Учет сцепления. ( Глинистый грунт обладает трением и сцеплением, стенка гладкая)

Сцепление заменяем эквивалентным  давлением РЕ- давлением связности (см. лекцию 4) Вертикальное РЕ – заменяем некоторым фиктивным слоем грунта h.

 

 

 

 

 

Подставляя Р_Е и производя вычисления получаем:

 

 

 

 

- в общем виде.

 

Самое общее решение  для расчета подпорных стенок сделал еще Кулон – (более 200 лет  назад).

 

Определение давления грунта на подпорную стенку графо-аналитическим методом Ш. Кулона.

 

(Графо-аналитический метод следует  рассматривать как  универсальный  метод, позволяющий получать решения с точностью ± 2%)

 

 

Допущения: поверхность скольжения (АС)– плоская обрушение поверхности скольжения происходит при max давлении грунта на подпорную стенку

Кулон рассматривал эту  задачу на основе уравнения статики.

1. Вес АВС – можно найти с любой заданной точностью Q;
2. По стороне АС действует реактивное давление R , j_о – угол трения между грунтом и поверхностью стенки;
3. Е_а – активное давление грунта;
4. Строим многоугольник сил, который должен быть замкнутым в условиях равновесия, и вычисляем соотношения:

                                    

Если известно АС – то легко можно  найти Е_а, но АС нам неизвестно. Поэтому решаем задачу методом последовательных приближений.

 

 

 

		задаемся несколькими поверхностями скольжения АС1; АС2; АС3; АС4 – и для каждой находим Еа строим многоугольник сил получаем огибающую значений Еа проводим касательную и находим Еа max   Точность этого графо-аналитического метода » 2% - для грунтов, обладающих только трением
Q1                 Q2             Q3      Q4	Пример использования анкеров