ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«петербургский государственный университет путей сообщения»
Кафедра «Основания и фундаменты»
РАСЧЕТ ПОДПОРНОЙ СТЕНЫ
Методические указания
К курсовой работе
Санкт-Петербург
ПГУПС
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«петербургский государственный университет путей сообщения»
Кафедра «Основания и фундаменты»
РАСЧЕТ ПОДПОРНОЙ СТЕНЫ
Методические указания
к курсовой работе
Санкт-Петербург
ПГУПС
УДК 624.131.52
ББК Н74
Р24
|
В настоящих методических указаниях даны рекомендации по расчёту и проектированию подпорных стен. Порядок изложения материала, исходные данные, пример расчета сохранены по предыдущему изданию (авторы И. В. Ковалев, Н. С. Несмелов, 1992 г.). Некоторые изменения произведены в общей части для сокращения; одновременно даны указания по анализу и оценке результатов расчета, приведены контрольные вопросы.
Предназначены для студентов специальностей СЖД и МТ.
УДК 624.131.52
ББК Н74
© Петербургский государственный
университет путей сообщения,
| |
СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ
К ЕЕ ОФОРМЛЕНИЮ
Цель курсовой работы – закрепление теоретических знаний по разделу «Теория давления грунта на ограждающие конструкции» и приобретение практических навыков в проектировании подпорных стен.
Курсовая работа выполняется в соответствии с заданием, приведенным в приложении к методическим указаниям. Шифр задания выдает студенту преподаватель.
Пояснительная записка должна содержать следующие материалы.
1. Задание на курсовую работу.
2. Анализ строительных свойств грунта под подошвой фундамента стены.
3. Построение эпюр интенсивности давления, определение активного и пассивного давлений, действующих на стену.
4. Определение равнодействующей активного давления с помощью построения Понселе.
5. Определение напряжений, действующих по подошве фундамента, и сравнение их с расчетным сопротивлением грунта.
6. Расчет устойчивости стены против опрокидывания и сдвига по подошве фундамента.
7. Проверка положения равнодействующей.
8. Вывод о применимости заданной конструкции и рекомендации по ее изменению.
Курсовая работа оформляется на листах бумаги формата А4, расчетные схемы вычерчиваются на миллиметровке такого же размера (либо на сдвоенных листах) с соблюдением масштабов (для линейных размеров, давлений, сил).
Образцы оформления титульного листа и задания приведены в приложениях В и Г.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДПОРНЫХ СТЕНАХ И СИЛОВЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА НИХ
Подпорной стеной называется конструкция, удерживающая массив грунта от обрушения. Это очень распространенная конструкция в составе транспортных и промышленно-гражданских сооружений. Подпорные стены подразделяются на массивные, тонкостенные и шпунтовые. Основная нагрузка на стены создается боковым давлением грунта, но устойчивость массивной стены обеспечивается только ее собственным весом; при тонкостенных в работу включается вес грунта на консолях опорной плиты. Устойчивость шпунтовых стен обеспечивается защемлением их в основании, чаще всего с креплением верха анкером или распоркой (рис. 1).
а) б)
в)
Рис. 1. Подпорные стены:
а – массивная; б – тонкостенная; в – шпунтовая; 1 – тело;
2 – фундамент; 3 – засыпка; 4 – анкерная свая; 5 – тяж; 6 – распорка
В методических указаниях рассматривается расчет массивной стены, в которой можно выделить тело и фундамент (рис. 1, а). Грань стены АВ называется задней, противоположная – передней. Удерживаемый стеной грунт называется засыпкой (рис. 2). Поверхность стены наклонена к горизонту под углом α. Задняя грань может иметь разный угол наклона к вертикали, что задается углом ε. В расчетах углы α и ε учитываются со своими знаками (на рис. 2 они положительны). Нагрузка на основание передается подошвой фундамента АС; точка С соответствует переднему ребру подошвы.
Рис. 2. Схема действия сил на стену
В зависимости от направления и величины возможного перемещения стены на нее будет действовать различное боковое давление грунта. При неподвижной стене (u = 0) грунт засыпки находится в условиях компрессионного сжатия и на стену действует давление покоя Е0 (рис. 3). При смещении стены от засыпки давление снижается до минимального – активного (распора Еа). При надвигании стены на засыпку давление растет до максимального – пассивного (отпора Еп). Достигается оно лишь при большом перемещении стены (как показано на рис. 3), обычно недопустимом в условиях нормальной эксплуатации сооружения.
Рассмотрим условия работы стены (см. рис. 2). Под действием «навала» засыпки даже при малом смещении стенки влево сформируется некоторый объем грунта АВD (призма обрушения), смещающийся вниз по задней грани стены и плоскости обрушения АD. Соответственно на стену будет действовать сила активного давления Еа; из-за трения грунта о стену сила отклоняется от нормали к задней грани на угол δ. При этом передняя грань фундамента стены надвигается на грунт, так что на нее будет действовать сила пассивного давления (отпор), которую, однако, из-за малости смещения стены нельзя учитывать в полной мере. На рис. 2 показаны также силы Gст и Gф – соответственно вес тела стены и ее фундамента, легко определяемые при заданных размерах стены. Зная все силы, их направление и точки приложения, можно рассчитать напряжения по подошве фундамента стены и проверить ее устойчивость.
Рис. 3. Изменение давления грунта засыпки Е на подпорную стену
в зависимости от ее перемещения U
В аналитическом расчете силы Еа, Еп и точки их приложения устанавливаются по эпюрам интенсивности бокового давления. Боковое давление в точке на глубине z при удельном весе грунта γ определяется умножением вертикального напряжения, равного γz, на коэффициент бокового давления грунта ξ. Особенно просто коэффициент бокового давления (активного и пассивного) определяется для вертикальной гладкой стены с горизонтальной поверхностью засыпки, когда ε = δ = α = 0:
, (2.1)
где верхний знак в скобках относится к активному, нижний – к пассивному давлению.
Формула для ξп в таком виде используется при определении пассивного давления на переднюю грань фундамента стены. Для определения ξа используется более сложное выражение, устанавливаемое по теории Кулона при заданных значениях ε, δ, α.
Боковое давление грунта можно определить также графически. В курсовой работе для контроля аналитического метода применяется построение Понселе.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА
НА СТЕНУ
Аналитический метод
При прямолинейных очертаниях задней грани стены и поверхности засыпки интенсивность активного давления еаопределяется по формуле:
еа = γ зас · z · ξа , (3.1)
где γзас – удельный вес грунта засыпки, 
;
z – глубина залегания рассматриваемой точки, в которой определяется величина еа, м, от поверхности засыпки (точка В на рис. 4);
ξа – коэффициент бокового активного давления грунта,
ξа = 
, (3.2)
где
. (3.3)
Параметры пояснены выше в тексте и показаны на рис. 2.
Формулы (3.2)–(3.5) приведены для положительных значений углов ε и α. При отрицательных значениях ε и α знаки перед этими углами в указанных формулах меняются на обратные.
Расчет выполняется для 1 пог. м подпорной стены, поэтому размерность интенсивности давления 
.
Величины горизонтальных еаг и вертикальных еав составляющих определяются по следующим формулам:
еаг = еа · cos (ε + δ); (3.4)
еав = еа · sin (ε + δ). (3.5)
На рис. 4 представлены эпюры давлений еа, еаг, еав и еп при отсутствии пригрузки q на поверхности засыпки. Причем на рис. 4, а давление показано приложенным к задней поверхности стены, а на рис. 4, б, в, г – условно приведенным к вертикальной плоскости. Горизонтальную штриховку на рис. 4, г не следует отождествлять с направлением действия вертикального давления.
На этом же рисунке приведены равнодействующие указанных давлений, приложенные на высоте 
от подошвы стены. Величины равнодействующих определятся из следующих соотношений, кН:
Еа = 
· γзас · Н2 · 
а ; (3.6)
Еаг = Еа· cos (ε + δ); (3.7)
Еав = Еа· sin (ε + δ). (3.8)
В случае действия равномерно распределенной пригрузки q по поверхности засыпки ее заменяют эквивалентным ей по весу слоем грунта высотой
hпр = 
. (3.9)
|
Рис. 4. Эпюры интенсивности давления грунта на подпорную стену
Тогда активное давление на уровне верха стены определится по формуле:
еа1 = γзас · hпр · а , (3.10)
а в уровне подошвы
еа2 = γзас · (hпр + Н) · а . (3.11)
Равнодействующая трапецеидальной эпюры активного давления определится по формуле
Еа = 
· Н (3.12)
и будет приложена к задней поверхности стены в точке, отстоящей по вертикали от подошвы на расстоянии
hо = 
· 
. (3.13)
Положение центра тяжести эпюр интенсивности давления может быть найдено также графически.
Вертикальная Еав и горизонтальная Еаг составляющие в этом случае будут также определяться по формулам (3.7), (3.8).
Величина интенсивности пассивного давления еп, действующего на переднюю грань фундамента подпорной стены высотой d, определится из выражения:
еп = γзас · z · ξп , (3.14)
где z – ордината, отсчитываемая от поверхности грунта основания, м;
ξп – коэффициент бокового давления отпора (пассивного давления),
ξп = tq2 (450 + 
), (3.15)
где φ – угол внутреннего трения грунта, лежащего в пределах глубины заложения d.
Коэффициент ξп определяется по формуле (3.15) при α = 0, ε = 0 и δ = 0, т. е. упрощенно, поскольку, как упоминалось выше, реализация отпора происходит при существенных перемещениях, превышающих, как правило, допустимые. Поэтому при определении расчетного значения отпора Еп по приведённой ниже формуле вводится понижающий коэффициент 0,33:
Еп = 
· ξп . (3.16)
Сила отпора приложена на высоте 
от подошвы фундамента стены.