лекция 7.

7. Давление грунтов на ограждающие

конструкции

7.1 ОБШИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Ограждающие конструкции предназначены для того, чтобы удерживать от обрушения находящийся за ними грунтовый массив. Характерным примером ограждающей конструкции является подпорная стенка – конструкция, широко применяющаяся в промышленном, гражданском, дорожном, гидротехническом и других областях строительства.

Рис.7.1. Примеры конструкций подпорных стенок:

а) – массивной; б) – тонкостенной;

в) – тонкостенной, заделанной в основание.

По конструктивному исполнению различаются массивные (или гравитационные) и тонкостенные подпорные стенки (рис7.1.). Устойчивость массивных стенок на сдвиг и опрокидывание обеспечивается, прежде всего, их собственным весом. Устойчивость тонкостенных конструкций обеспечивается собственным весом стенки и грунта, вовлеченного в совместную работу, либо защемлением нижней части стенки в основание. К ограждающим конструкциям следует отнести также стены подвалов и заглубленных частей зданий, стены подземных сооружений и т.п.

По характеру работы ограждающие конструкции подразделяются на жесткие и гибкие. К жестким относится конструкция, которая под действием давления грунта изгибается очень незначительно или практически не изгибается, поэтому ее собственные деформации не изменяют характер давления на нее грунта. Жесткие подпорные стенки изготовляются обычно из железобетона, монолитного бетона, каменной кладки, деревянных или железобетонных ряжей или ящиков, заполненных грунтом, и т.п. Гибкие подпорные стенки выполняются главным образом из деревянного, железобетонного или металлического шпунта и часто называются шпунтовыми стенками. При воздействии нагрузки они изгибаются, и характер эпюры давления грунта на стенку зависит от ее деформаций.

Рис. 7.2. Связь равнодействующей давления грунта с величиной и направлением горизонтального смещения стенки: 1 – призма обрушения; 2 – призма выпирания.

Эксперименты и натурные наблюдения показывают, что равнодействующая давления грунта на стенку Е зависит от направления, величины и характера ее смещения. На рис.7. 2 приведены три расчетных случая, определяющие фундаментальные понятия теории давления грунта на ограждение. Там же приводится график, характеризующей изменение равнодействующей давления Е в зависимости от смещения стенки.

Если подпорная стенка под действием давления грунта не смещается и не изгибается (например, плитный фундамент коробчатого сечения), то давление реализуется в условиях отсутствия горизонтального смещения при (рис.7. 2,б); его часто называют давлением покоя . При этом допускается определять ординату горизонтального давления грунта на вертикальную грань стенки , используя понятие коэффициента бокового давления . Тогда, учитывая вертикальное давление от собственного веса грунт на глубине z от поверхности засыпки, будем иметь

, (7.1)

где - удельный вес грунта; v – коэффициент Пуассона грунта.

Соответственно эпюра давления на стенку при однородном грунте засыпки будет иметь вид треугольника и при высоте стенки h равнодействующая эпюры давления покоя определится как

. (7.2)

Под действием давления грунта возможно также смещение стенки в сторону от засыпки, принятое, как правило, со знаком минус (рис. 7.2, а). Когда это смещение достигает некоторой величины , в грунте засыпки формируется область обрушения грунта, граница которой называется поверхностью скольжения, а сама область - призмой обрушения. Давление, передаваемое призмой обрушения на грань стенки, носит название активного давления, а его результирующую обозначают .

1,2 – вероятные смещения стенки

Рис.7.3

Наконец, если под действием каких-либо сил подпорная стенка смещается в сторону грунта, в засыпке также образуются поверхности скольжения и при некоторой величине перемещения формируется призма выпирания грунта. При этом реакция грунта достигает максимального значения и соответствует пассивному давлению (отпору) грунта, результирующую которого обозначают .

Эксперименты показывают (рис.7. 2,г), что полное формирование призмы обрушения и развитие активного давления происходят при очень небольших перемещениях стенки, составляющих тысячные доли ее высоты. Напротив, образование призмы выпирания и развитие пассивного давления происходят при больших значениях перемещений стенки.

Как правило (см. рис. 7.3), на подпорную стенку практически всегда будут действовать активное давление со стороны засыпки (справа от стенки), стремящееся сдвинуть или опрокинуть стенку, и пассивное давление (слева от стенки), препятствующее потере ее устойчивости. Поэтому расчет давления грунта является неотъемлемой частью проектирования ограждающих конструкций.

При определении активного и пассивного давления грунта на сооружение обычно принимается модель теории предельного равновесия. Для определения очертания линий скольжения в массиве грунта в практических расчетах часто используют допущение, введенное еще Ш. Кулоном, о прямолинейном очертании линий скольжения. Для активного давления методы расчетов, основанные на этом допущении, дают результаты, близкие к строгим решениям. При определении пассивного давления получают завышенный результат, причем погрешность возрастает с увеличением угла внутреннего трения грунта.

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

A		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
П ример активного давления грунта на фундаментную стенку здания с подвалом	Расчетная схема М - ?

7.3 Влияние сплошной равномерно распределенной нагрузки.

В1	Представим эту нагрузку как некоторый слой грунта давлением Р = 0h. h=P/0 Тогда эпюра будет строиться из верхней точки В1. Еа - ? (приложена в ц.т. трапеции)

Подставляем значения Р₂¹ и Р₂ и получим:

, где ₀ удельный вес грунта

7.4. 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: (см. лекцию):

Р_2 – без учета сцепления

Р_с2 – влияние сцепления

Р₂ = Р_{ 2} – Р_с2

- в общем виде.

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

7.5 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%)

C

Q B R Q n  n o Ea R Еа A 

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 , _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:

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

C1 C2 C3 C4 R1 R2 R3 R4 n Ea		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	П Анкера ример использования анкеров

6. Давление грунтов на трубопроводы при различных способах их прокладки в тоннели.

Самый опасный случай это, когда давление на трубу передано в одной точки. Три способа;1)в траншее,2)под насыпью:3)с помощью закрытой проходки. Для трех способов прокладки трубопровода (при одинаковой глубине заложения Н) давление р будет различным; при траншейной укладки р<yН; в насыпи р>yН и при кроколе, если Н сравнительно мало, р=yН,а при больших значениях Н р<yН. Это происходит по следующ. причинам - труб-т прокл. в траншее, то гр.находится с боку от траншеи ,уже уплотнился под собств. весом, гр., который засып. в траншею после уклад. труб-да, будет более рыхлым и еще не уплотнившемся под дейст-ем собст веса. Ктр-коэфф-т давления гр. на трпу-д в траншее. Ктр=b/Н*(1-2с/yb)/2ξ tqφ₀ * (1-е-2Н/bξ tqφ₀). Под засыпкой сила трения имеет противоположное направление Р2=КнyН. При закрытых проходах при небольших их глубине заложение давление принимается равным yН, а при большой глубине заложения-как гор-ое давление с учетом так называемого свода обрушения.Р₃=yh_с=yВ/2f.

h1 Р1=oh1	Решить эту задачу в общем виде не сложно. Но нужно различать 3 принципиальных различных способа прокладки трубопроводов.
а h ) в траншеях		б h насыпь ) труба в насыпи
в ) закрытая проходка	(прокол, микротуннелирование)