Рекомендуемый способ проектирования шпунтовых стенок с анкером, основанный на результатах испытаний в Принстоне » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Рекомендуемый способ проектирования шпунтовых стенок с анкером, основанный на результатах испытаний в Принстоне

07.07.2021

На рис. 16.23 представлена эпюра бокового давления грунта, рекомендуемая для проектирования гибких шпунтовых стенок с анкером в случае песчаного грунта. Она согласуется с результатами испытаний на моделях таких стенок, проведенных в Принстонском университете, которые показали, что защемление нижней части стенки оказалось уже эффективным и полным при отношении D/H, равном 0,43, когда при обычном порядке выполнения обратной засыпки точка перегиба упругой линии оказывалась приблизительно на уровне линии дна водоема (x=0). В соответствии с положениями п. 16.9 эта глубина заделки D обеспечивает коэффициент запаса по меньшей мере Fs=2, так как в случае проведения испытаний при отношении D/H=0,27 была отмечена еще полная устойчивость стенки.

Предлагаемый способ расчета представляет упрощение метода «заменяющих балок» Блюма. Глубина заделки принимается D=0,43 H; при этом предполагается, что шарнир находится в. уровне «линии дна». Активное давление рh толщи грунта выше уровня «линии дна» определяется с помощью выражения:

В этих выражениях h измеряется вниз от поверхности обратной засыпки; у соответствует объемному весу грунта в обратной засыпке, а произведение yh представляет собой вес грунта в пласте, перекрывающем горизонт в уровне глубины h. Коэффициент f'" отражает влияние на уменьшение активного давления грунта его трения по задней грани стенки. Он может быть принят равным: f"'=0,9. Назначение коэффициента f' состоит в учете неопределенности, связанной с величиной пассивного давления грунта выше уровня анкера и прочности на растяжение песка, насыщенного капиллярной влагой в слое выше уровня в водоеме. Величина этого коэффициента может варьировать от f'=1,5 до f'=3,5. Рекомендуется до проведения дальнейшего изучения и наблюдений принимать при проектировании величину этого коэффициента: f'=3,5.
Рекомендуемый способ проектирования шпунтовых стенок с анкером, основанный на результатах испытаний в Принстоне

Максимальный положительный изгибающий момент, определенный расчетом исходя из рис. 16.23, а и выражения (16.20), может быть использован при проектировании сооружений с одновременным увеличением на 33% допускаемых напряжений на сталь от 18 000 до 24 000 фунт/фут2. Полагают, что в связи с пластичностью материала стенки, а также наблюдаемым при увеличении ее прогиба снижением активного бокового давления грунта на стенку коэффициент запаса Fs=1,4, который имеет при этом место относительно предела текучести стали, является достаточным даже при учете вибрации и других нежелательных факторов воздействия на шпунтовую стенку, заложенную в чистом песке. Откосы многих земляных сооружений, включая плотины и насыпи, часто не обладают коэффициентом запаса устойчивости выше Fs=1,5. С другой стороны, допускаемые для стали напряжения относятся к пределу ее текучести, причем относительно предела прочности коэффициент запаса обеспечивается величиной, равной по меньшей мере Fs=3. Для того чтобы привести в соответствие условия работы этих частей сооружения по прочности, некоторые проектировщики предлагают увеличить допускаемое для материала шпунтовой стенки напряжение до предела упругости. По-видимому, датские инженеры осуществляют это предложение на практике (см. примеры в конце главы).

Вместе с тем совершенно недопустимо снижение коэффициентов запаса при проектировании анкеров, а также их опорных частей и соединений, особенно при наличии некоторой неуверенности относительно свойств грунтов, залегающих ниже «линии дна». Чрезмерная податливость грунта перед стенкой может быть в известной мере нейтрализована за счет повышенной прочности анкерного устройства. По этой причине рекомендуется во всех случаях увеличивать для расчета воздействующего на анкер усилия при определении его по эпюре из рис. 16.23 путем деления этого усилия на величину:

Если ниже «линии дна» залегает не вызывающий сомнений зернистый грунт, коэффициент f" может быть принят равным единице. Любая неопределенность в отношении свойств этого грунта и, следовательно, в отношении необходимой величины безопасной глубины заделки стенки может быть частично компенсирована уменьшением значения f".

Однако использование для анкеров чрезмерно жестких опор, особенно для «ныряющих» стенок, не ведет к каким-либо преимуществам, так как при этом в песчаном грунте возникает напряженное состояние, подобное изображенному на рис. 16.9, что приводит к последствиям, показанным на рис. 16.24. В этом случае анкерные тяги были короткими (длиной порядка 20 футов) и жестко заделывались в бетонную плиту дорожного покрытия, причем возможность какого-либо смещения плиты исключалась. При этих условиях в анкерах возникало перенапряжение, что в результате повлекло за собой аварию. Наиболее слабым элементом системы оказались стяжные муфты анкерных тяг, которые сдали. По другую сторону той же автодорожной выемки такие же анкеры работали удовлетворительно. Они были длиннее и крепились к анкерным плитам, надежно заделанным в грунт. Анкерные плиты по типу, показанному пунктиром на рис. 16.23, а, обеспечивали податливость опор. Помимо этого на той стороне, где не произошло аварии, была обеспечена лучшая заделка стенки в грунт на дне выемки.

Анкерные плиты должны быть размещены на таком удалении от стенки, чтобы можно было использовать в достаточной мере отпор (пассивное давление) грунта, расположенного выше вероятной плоскости скольжения mn, показанной на рис. 16.23, а штрих-пунктиром, и вне плоскости скольжения r0, связанной с возможной активной призмой обрушения, действующей на стенку. Эпюра бокового давления, приведенная на рис. 16.23,б, рекомендуется для проектирования заанкеренных стенок в глинистых грунтах. Указанная здесь глубина заделки D стенки отвечает пределу прочности глины, залегающей ниже «линии дна», при коэффициенте запаса Fs=2. Следовательно, D=2D', где D' определяют исходя из моментов относительно точки приложения усилия в анкере Aр. Эпюру активного давления строят исходя из максимальных нейтральных показателей для глинистых грунтов и данных, аналогичных приведенным ранее. Если пласты 2 и 3 представлены глиной в пластичной консистенции, величина d, показанная на рис. 16.23,б, должна быть принята равной нулю. Вместе с тем глинистый грунт в обоих пластах перед стенкой и за ней может быть упрочнен с помощью песчаных свай или дрен.

До сих пор еще существуют некоторые невыясненные вопросы относительно характера работы в обратной засыпке песчано-глинистых грунтов. При проведении испытаний в Принстоне было обнаружено, что обратная засыпка при содержании в ней 70% песка, 20% пыли и 10% глинистых частиц, уложенная намывом, после консолидации ведет себя в основном подобно глине. Когда же в ней содержалось 85% песка, 10% пыли и 5% глины, засыпка работала в основном как песок, нормально уложенный за стенку. Однако при этом грунт, подвергнутый сильной вибрации, развивал весьма высокое боковое давление. В этом отношении примесь глины к песку без его уплотнения производит обратный эффект по сравнению с поведением тщательно уплотненных смесей песка с глиной. Испытание земляного полотна на вибрацию, проведенное в Принстоне, показало, что при добавлении к песку небольшого количества глины грунт становится менее чувствительным к вибрации.

В настоящее время нельзя еще дать никаких надежно обоснованных рекомендаций относительно проектирование стенок, когда обратная засыпка представлена естественными песчаноглинистыми грунтами. До тех пор пока не будут проведены дальнейшие исследования, все расчеты, связанные с такими проектами, должны включать некоторый «коэффициент незнания». При проектировании заанкеренных стенок в соответствии с рис. 16.23,а в любом случае не следует принимать допускаемые напряжения для тех или иных конструктивных элементов стенки выше обычно употребляемых величин. Коэффициент f" по выражению (16.22) следует принимать равным 0,7 или даже в крайних случаях при слабых грунтах в основании стенки 0,5. В качестве альтернативы при подобных обстоятельствах может рассматриваться конструкция по типу, показанному на рис. 16.25. Сначала в естественном слабом грунте вскрывают траншею под водой. Затем заполняют ее подобранным чистым песком, предпочтительно выше окончательной «линии дна». Шпунтовую стенку и анкерные сваи забивают в песок, после чего за стенку намывают песок так, чтобы он укладывался с откосом, соответствующим углу естественного откоса. Наконец, после этого можно с помощью намыва уложить остальную часть обратной засыпки из любого имеющегося под рукой грунта, за исключением верхнего несущего слоя, который должен укладываться из подобранного материала с его уплотнением. Устройство песчаной отсыпи за шпунтовой стенкой позволяет проектировать ее, исходя из бокового давления на нее в соответствии с рис. 16.23, а и принимая, что вся обратная засыпка представлена чистым песком. Во избежание глубокого сдвига и разрушения сооружения, подобного изображенному на рис. 8.6, степень устойчивости всего сооружения в целом должна быть проверена с помощью шведского метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения. На рис. 16.25 показан только один из таких необходимых пробных кругов.

Пластовое строение грунтовой толщи с перемежающимися в ней слоями песка и глины может создавать значительные трудности при решении рассматриваемой задачи, особенно если глина в пластичной консистенции подстилает песчаный слой или каменную наброску. Примером того, к каким трудностям может вести это положение, служат результаты тщательных натурных исследований работы заанкеренных стенок причала «С» в порту Лонг Бич, находящемся в Калифорнии, которые были выполнены и опубликованы проф. С. Мартином Дьюком, а также проанализированы Чеботаревым. Основные размеры этой стенки даны на ее поперечном разрезе (рис. 16.26). Поверхность грунта, уложенного с помощью намыва, после его уплотнения осела на 1 фут. Большая часть этой осадки могла быть отнесена за счет уплотнения пылеватой глины, отложившейся здесь слоем толщиной 5—6 футов прежде самого песчаного материала из воды, удаляемой с карты намыва, которой была представлена возможность протекать до ее сброса вдоль причала на расстоянии 2365 футов. Такого положения при этих работах следует избегать и сбросные сооружения располагать только на небольших расстояниях от выпуска пульповодов. Консолидация слоя этой мягкой глины повлекла за собой просадку перекрывающего его песка, причем его вес передавался, как это видно из рис. 16.26, на анкерные тяги и наклонные сваи. Следует отметить, что тяги диаметром 3 дюйма располагались на расстоянии 6 футов друг от друга, а расстояние между центрами наклонных деревянных свай было только 3 фута.

Боковое давление грунта замерялось с помощью приборов Карлсона, помеченных на рис. 16.27 (этап 1) буквами P и соответствующей цифрой. Замеренные величины давления грунта приведены здесь в килофунт/фут2. Величины усилий в анкерных тягах определялись с помощью тензометров Карлсона. Результаты этих замеров приведены на рис. 16.27 в килофунт/фут.

Из рис. 16.27 (этап 2) следует, что после завершения намыва распределение бокового давления отвечало по существу гидростатическому закону, причем не было получено никаких данных о возможности проявления в вертикальном направлении арочного эффекта. Это положение подтверждает результаты модельных испытаний в Принстоне по этому вопросу. Выше уровня анкера на этапе 2 боковое давление соответствовало приблизительно величинам, полученным в Принстоне при проведении испытаний на модели (№ 59) с использованием пылеватого песка, близкого по своему гранулометрическому составу к грунту, который намывался при сооружении причала в Лонг Биче. Среднее значение Ку=0,44. Однако ниже уровня анкера боковое давление было намного больше — в среднем Kу=0,7. Показание датчика Р8 было, вероятно, слишком завышенным, так как обнаружилось, что он сместился с первоначального положения — заподлицо с внутренней стороной стенки — и несколько вошел в толщу намытого грунта. Однако никаких оснований сомневаться в достоверности остальных показаний не было. Превышение бокового давления в зоне ниже уровня анкера причала в Лонг Биче на втором этапе исследований на 60% по сравнению с соответствующими величинами по данным исследования № 59 на моделях в Принстоне может быть объяснено двумя причинами. Во-первых, можно предположить, что на сооружение влияла легкая непрерывная вибрация, вызванная воздействием волн, которая привела к повышению бокового давления на 60%. Это подтверждается испытанием № 59, проведенным в Принстоне, которое показало, что уже заклиненная обратная засыпка очень чувствительна к такого рода воздействиям, что привело к возрастанию бокового давления в 4 раза против его значения в статических условиях. Во-вторых, это возрастание могло быть вызвано арочным эффектом, действовавшим в горизонтальной плоскости вдоль линии сс, как это показано на рис. 16.26. Однако можно не сомневаться в причинах последующего перераспределения давления на стенку и перегрузки анкеров, прогрессировавших по мере консолидации намытого материала и подстилающего слоя глины (см. этапы 3, 4 и 5 на рис. 16.27).

Ниже приводятся два других примера, где описываемые явления получили более ясное выражение. Рис. 16.28 отвечает первому из них. Бетонная разгрузочная платформа на сваях, построенная в 1929—1930 гг., была связана с кустами свай стальными тягами диаметром 2 дюйма и длиной 375 футов, размещенными через каждые 5 футов. С другой стороны анкеры были подсоединены к наружной стойке подкранового пути на причале. На некоторой глубине ниже анкеров залегал слой мягкой глины. Вплоть до уровня размещения анкерных тяг был намыт гранулированный шлак, а выше них был уложен слой холодного шлака. Поверхность законченной обратной засыпки была загружена отвалами железной руды, что создало нагрузку на причал, равную 3 т/фут2. Первым признаком неблагополучного положения явилось обнаруженное смещение внутрь причала на 5,5 дюйма наружной столбчатой стойки подкранового пути мостового крана. После разгрузки причала от руды было установлено наличие на поверхности засыпки впадин с максимальной просадкой по их центрам в 3 фута. Анкеры были откопаны, причем оказалось, что они сместились от своего начального положения на ту же величину и таким же образом (см. рис. 16.28).

Нечто подобное должно было обнаружиться, правда, в значительно меньшей степени и на причале «С» в Лонг Биче. Анкеры были здесь пригружены частью веса засыпки. Это заставило их несколько сместиться и оттянуть отбойный брус и стенку внутрь причала. Даже незначительное их смещение в этом направлении, не превышающее и доли дюйма, должно было по мере продолжения консолидации намытого материала оказаться достаточным, чтобы проявился арочный эффект в горизонтальной плоскости, как это показано на рис. 16.26 линиями аа, bb и сс. Возникшее при этом распределение бокового давления приобрело форму, которая имела только внешнее сходство с обычной формой проявления арочного эффекта в вертикальной плоскости. Из рис. 16.27 (этапы 3, 4 и 5) следует, что ниже уровня анкера давление равнялось нулю. Обычные предположения о роли арочного эффекта, действующего в вертикальной плоскости, предусматривают, наоборот, возможность значительного возрастания давления непосредственно ниже уровня анкеров, так как полагают, что проявление арочного эффекта возникает в результате начального прогиба шпунтовой стенки. Однако после этапа 2 исследования (см. рис. 16.27) на причале «С» в Лонг Биче замерами не было обнаружено никакого дополнительного прогиба стенки.

Помимо этого из рис. 16.27 следует, что в рассматриваемом случае на этапах 2—5 наблюдалось в соответствии с показаниями датчика Р5 прогрессирующее снижение пассивного давления (отпора) со стороны внешней каменной призмы. Это исключает возможность любого проявления арочного эффекта в вертикальной плоскости, так как в противном случае каменная призма работала бы как внешняя пята любой такой вертикально расположенной арки и обеспечивала бы возрастающее сопротивление их нагрузке. Наблюдаемое здесь снижение пассивного сопротивления, однако, полностью согласуется с объяснением, данным к рис. 16.26, так как арочный эффект, действующий в горизонтальной плоскости выше уровня анкера, увеличивает нагрузку на него и испытываемое им натяжение, передавая, таким образом, через него нагрузку на стенку и уменьшая, следовательно, пассивное сопротивление верха внешней призмы. Обычные допущения, касающиеся действия арочного эффекта в вертикальной плоскости и принятые датскими нормами, не приводят к какому-либо увеличению усилия в анкерных тягах по сравнению с методами, учитывающими свободную заделку или защемление нижнего конца стенки. В этом отношении метод Одэ представляется более приемлемым, так как приводит к увеличению усилия в анкерах приблизительно на 60%. Однако в случае причала «С» в Лонг Биче между этапами наблюдений 2 и 4 увеличение усилия в анкере достигло 85%, или в сравнении с обычными представлениями более 140%. В этом случае анкеры Нагружались вплоть до предела упругости, причем некоторые болты и другие менее значительные связующие элементы оказались фактически сорванными. Отсюда очевидно, что нужно избегать перегрузки анкерных тяг весом грунта засыпки.

Согласно информации, полученной автором от д-ра Пауля Леймдорфера, руководителя инженерно-строительного отдела Управления стокгольмского порта, необходимость такой рекомендации признана в Швеции. На рис. 16.29 отражены специальные мероприятия, которые были предприняты в стокгольмском порту для защиты определенной части анкеров от их перегрузки весом каменной наброски, подстилаемой в некоторых местах линзами глинистых грунтов. Анкерные тяги были помещены в полые бетонные коробчатые кожухи, подобные показанным на рис. 16.30. Там, где не были приняты эти меры, некоторые анкерные тяги оказались порванными. Подобные же меры использовались в случае необходимости защиты анкеров при проведении модельных испытаний в Принстоне, например, во время опыта, показанного ранее.

Во втором из упомянутых случаев в порту Дюнкерк, Франция, внезапно сползла в море на длине 200 футов шпунтовая стенка набережной с анкером. Было установлено, что в данном случае произошло нарушение прочности анкеров. Анкерные тяги были выполнены из прокатной швеллерной стали с некоторыми признаками трещин. Трещины были, возможно, вызваны взрывными воздействиями во время войны. В дальнейшем в них появилась ржавчина, еще более ослабившая сечение швеллеров. В Европе рассматривался вопрос о возможности использования для анкеровки подпорных стенок стальных тросов вместо более жестких профилей. Конечно, такие анкерные тяги из троса должны быть надежно защищены от коррозии. Однако даже при этих условиях все еще сохраняется опасность того, что вдоль линий сс (см. рис. 16.26) в горизонтальной плоскости найдет свое выражение арочный эффект, и внешний ряд наклонных свай анкерной опоры окажется значительно перегруженным. Во время работ по вскрытию, произведенных в других районах, иногда обнаруживают серьезное повреждение деревянных свай этого типа. Это повреждение свай может быть связано или с чрезмерной перегрузкой при их забивке в подстилающую толщу песка, или с их изломом под действием веса перекрывающей толщу глины, подвергающейся осадке. Поэтому желательно рассмотреть условия возможного использования в качестве замены обычного типа причальной стенки со свайной анкерной опорой, показанной на рис. 16.25 и 16.26. Одно из таких возможных решений заключается в закреплении анкерной тяги, идущей от отбойного бруса, в точке В в уровне природного дна водоема, как это показано на рис. 16.26 пунктиром. Короткие наклонные сваи, не выходящие за этот уровень, могут обеспечить здесь надежную заделку анкера и значительно снизить стоимость сооружения за счет длины используемых свай. Эти сваи могут быть забиты в грунт способом, показанным на рис. 15.25, а. Однако такой тип анкерной опоры был бы чрезмерно жестким, что, как было показано выше со ссылкой на рис. 16.24, нежелательно. Поэтому лучшее решение вопроса могло бы быть получено при использовании в точке В анкерных плит. Такие плиты могли быть заготовлены заранее и в последующем опущены на дно с барж краном или забетонированы на месте во вскрытой землечерпанием траншее методом подводного бетонирования.

Заранее изготовленные анкерные плиты использовались в порту Рио-де-Жанейро для другой цели. Они сочетались здесь со сборными железобетонными анкерными тягами. Такое решение не обладает видимыми преимуществами. Однако сочетание заранее изготовленных анкерных плит, закладываемых в точке В по рис. 16.26, наклонных стальных анкерных тяг, соединяющих точку В и отбойный брус, показанных на той же схеме пунктиром, и призмы из каменной наброски или из чистого песка с гравием, соответствующей по уровню и наклону откоса анкерной тяге, во многих случаях при сомнительных качествах грунта обратной засыпки может обеспечить рациональное решение. При проведении работ по варианту с подводной разработкой и отсыпкой грунта, показанному на рис. 16.25, представляется возможным от внешней защитной призмы отказаться. На одном из тихоокеанских островов при других инженерно-геологических условиях был получен результат, совершенно отличный от случая с причалом «С» в Лонг Биче.

Здесь с помощью тензометров типа Карлсон замерялись усилия в анкерных тягах стальной «ныряющей» шпунтовой стенки. При проведении работ прежде всего производились забивка в грунт шпунтов и установка анкера. Только после этого грунт с внешней стороны стенки удалялся замлечерпанием. Грунт представлял собой плотный коралловый песок, который, по всей вероятности, и был несколько сцементирован, хотя это никак не обнаруживалось при извлечении из толщи образцов с нарушенной структурой. Оказалось, что натяжение в анкерах лежало в пределах только от 5900 до максимального значения 8100 фунт/фут2. Таким образом, в данном случае оно составляло менее 48% натяжения, которое ожидалось исходя из расчетов по обычному методу. Нагрузка 0,6 т/фут2 на причале по площади свыше 200 фут2 увеличила усилие в анкерах только на 4%.

Отсюда, несмотря на уже достигнутый значительный прогресс в данном вопросе, вытекает очевидная необходимость проведения дальнейшего систематического регионального изучения с рассматриваемой стороны различных возможных комбинаций грунтов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: