Використання та розрахунок утримуючих протизсувних споруд 1 страница

Утримуючі протизсувні споруди в системі протизсувного захисту у багатьох випадках (гориста місцевість, міська забудова та інше) є єдиними спорудами, використання яких дозволяє закріпити зсувну ділянку або збільшити стійкість схилу на зсувонебезпечній території. Методи розрахунку таких споруд засновані на гіпотезі Терцаги про епюру розподілу зсувного тиску ґрунту на споруди. Проте, як показали дослідження, епюра зсувного тиску залежить від динаміки зсуву, зміни міцнісних характеристик зсувних ґрунтів перед утримуючою спорудою, конструкції та жорсткості споруди.

Види утримуючих протизсувних споруд. Утримуючі протизсувні споруди використовуються у тому випадку, коли не представляється можливим або є економічно доцільним збільшення стійкості схилу шляхом збільшення його нахилу або іншими економічними методами закріплення. Ці споруди призначені для закріплення зсувів ковзання, зрізання або витискування, що розвиваються в схилах, де нижче за поверхню зсуву або зони деформації залягають міцні й стійкі породи, в які можуть бути введені утримуючі елементи.

Їх використовують для закріплення зсувних мас, що повільно зміщуються, або на зсувонебезпечних схилах, на яких в період будівництва поверхневі зсуви відсутні, але стійкість яких необхідно збільшити. Ці споруди використовують в тому випадку, якщо в межах можливого обвалення відкосу необхідно встановити споруди великої ваги, підрізати схил та інше.

Утримуючі протизсувні споруди відносять до основних споруд протизсувного комплексу, будівництво яких проводиться на основі обґрунтованих інженерних розрахунків, техніко-економічного зіставлення варіантів різних конструкцій із іншими протизсувними спорудами. Доцільність їхнього використання пояснюється наступним:

- стійкість схилу після зведення споруди поступово збільшується;

- виключаються великі об'єми земляних робіт, що особливо важливо для складних гірських умов;

- технологія використання паль великих діаметрів дозволяє майже повністю механізувати будівництво;

- вертикальні елементи утримуючих протизсувних споруд, що працюють на згин, після стабілізації схилу можуть використовуватися як фундаменти під будівлі різного призначення.

Метою інженерно-геологічних досліджень, що проводяться на ділянці влаштування утримуючих протизсувних споруд, є точне визначення розміщення поверхні ковзання (для зсувів із ковзання), визначення потужності та розміщення зони горизонту, що деформується (для зсувів витискування). Якщо межі порід, які не зміщуються, їх міцнісні характеристики, глибина до крівлі міцних та стійких порід невідомі, утримуючі протизсувні споруди використовувати не допускається. Це пов'язано із тим, що величини зусиль, що діють в протизсувній споруді, і, отже, його вартість в основному залежать від потужності зсуваючої товщі. В даний час успішно проведені роботи із закріплення зсувів ковзання, потужність товщі, що зсувається в межах (15–17) м. При більшій потужності зсувних накопичень вартість утримуючих споруд, що працюють на згин, різко зростає. В цьому випадку доцільно використовувати гнучкі утримуючі конструкції, що працюють на розтяг.

За характером роботи та жорсткості утримуючі протизсувні споруди поділяють на наступні види (рис. 6.24, 6.25 стрілка вказує напрям руху зсуву):

- жорсткі, такі, що не сприймають під впливом зсувного тиску інших деформацій, окрім зсуву та повороту (підпірні стіни на основі, що не зміщується, контрфорси, залізобетонні стовпи, палі-шпони, палі великого діаметру при малій довжині);

- кінцевої жорсткості, що сприймають деформацію згину (палі та залізобетонні стовпи великої довжини);

- гнучкі споруди, що не володіють стійкістю на згин, а працюють тільки на розтяг (канатні анкерні конструкції);

- споруди комбінованого типу, що складаються із елементів різної гнучкості.

При проектуванні утримуючих протизсувних споруд розраховують:

- коефіцієнт стійкості схилу разом із спорудою на поверхнях ковзання, розташованих нижче за глибину закладання утримуючих елементів та вздовж низьконесучих прошарків ґрунту, розломів та інше;

- напруження в ґрунтах, розташованих нижче існуючій поверхні ковзання;

- глибину закладання утримуючих елементів нижче за поверхню ковзання, відстань між утримуючими елементами, глибину закладання нижнього анкера та його розміри (для гнучких утримуючих споруд), а також розміщення на схилі.

а – підпірна стінка; б – залізобетонна підпірна стінка на основі палі; в –залізобетонний стовп; г – буронабивні палі, об'єднані ростверком; д – буронабивні палі із нахиленим рядом; е – палі-шпони; 1 – підпірна стінка; 2 – ґрунтове відсипання; 3 – напрям руху зсуву; 4 – горизонтальний дренаж; 5 – поверхня ковзання; 6 –залізобетонна підпірна стінка; 7 – буронабивні палі; 8 – залізобетонний стовп; 9 – дренаж між палями; 10 – ростверк; 11 – паля-шпона.

Рисунок 6.24 – Утримуючі протизсувні споруди, що працюють на згин

а, б – відповідно однорядна та дворядна гнучка анкерна споруда; в – комбінована споруда; 1 – поверхня ковзання; 2 – вантаж; 3 – верхній анкер; 4 – міцні породи; 5 – нижній анкер; 6 – зсувні ґрунти, зміцнені методами технічної меліорації; 7 – дренаж; 8 – буронабивні палі

Рисунок 6.25 – Утримуючі протизсувні споруди, що працюють на розтягування

Розрахункова схема утримуючих протизсувних споруд. Експериментальні дослідження показали, що ордината поверхневого зсувного тиску на нерухому утримуючу споруду в широкому діапазоні зсувів зростає пропорційно величині переміщення зсувних ґрунтів розташованих безпосередньо перед утримуючою спорудою (рис. 6.26).

1 – верхній шар; 2 – середній шар; 3 – нижній шар

Рисунок 6.26 – Залежність величини питомого тиску на утримуючий елемент (е) від величини зсуву ґрунтів ()

При максимальному тиску перед протизсувною спорудою формується зона випирання, а зсувні ґрунти переміщуються через неї або обтікають утримуючі елементи, після чого тиск на споруду зменшується. Ступінь зменшення зсувного тиску залежить від величини структурної міцності ґрунту.

При зміні зсувного тиску від нуля до максимального значення (рис. 6.26), коли залежність тиску від величини переміщення зсувних ґрунтів близька до лінійної, можна припустити, що грунт працює як пружне середовище Вінклера. Коефіцієнт постелі при цьому, в загальному випадку, залежить не тільки від виду ґрунту, але і від потужності стисненої товщі та величини навантаженої площі (рис. 6.27). Точніші результати розрахунку, згідно гіпотези Вінклера, можна отримати за допомогою коефіцієнта жорсткості ґрунту, що враховує зміну осідання вздовж споруди та інші чинники.

1,2,3 – величини осідань основи при Н/а відповідно рівна 0,1; 1; 10, де H – потужність товщі, що стискається; а –напівширина навантаженої ділянки, Е –модуль деформації грунту

Рисунок 6.27 – Зміна осідання залежно від потужності стиснено товщі

Для зсувів ковзання та витискування при невеликій потужності зони деформації, розрахункову схему однорядної утримуючої протизсувної споруди (рис. 6.28) можна представити таким чином. Якщо споруда жорстка, під тиском зсувних ґрунтів вона повертається.

1 – поверхня ковзання; 2 – епюра зміни горизонтального коефіцієнта жорсткості ґрунту по глибині; 3 – вертикальний елемент утримуючої споруди, що працює на згин

Рисунок 6.28 – Розрахункова схема однорядної утримуючої споруди, що працює на згин

Враховуючи прийняті вище припущення величину таких зсувів визначають за рівнянням

, (6.84)

де а, b – коефіцієнти, як визначаються шляхом рішення системи рівнянь, що описують рівновагу утримуючого елементу, а саме

(6.85)

Величини зсувів споруд кінцевої жорсткості включають прогин елементів під впливом зсувного тиску. Зсув однорядної споруди в цьому випадку визначають рішенням наступних диференціальних рівнянь

(6.86)

Граничні умови наступні:

(6.87)

Величину зсувів однорядної гнучкої утримуючої споруди при нерухомому нижньому анкері (рис. 6.29) визначають, рішаючи наступне диференціальне рівняння

. (6.88)

1 – нижній анкер; 2 – тяга; 3 – підготовка із крупнозернистих ґрунтів; 4 – верхній анкер (привантаження); 5 – напрям руху зсуву; 6 – поверхня ковзання

Рисунок 6.29 – Розрахункова схема гнучкої анкерної утримуючої протизсувної споруди

Рішення рівняння (6.88) дозволяє розраховувати зсув однорядної гнучкої утримуючої споруди в тому випадку, якщо попередній натяг канатів великий, а значення . При незначному попередньому натягу необхідно враховувати нахилене положення елементів канату, тоді рівняння (6.88) прийме наступний вигляд

. (6.89)

Для даного рівняння граничні умови такі:

У рівняннях (6.85–6.89) прийняті наступні позначення:

– величина поверхневого зсуву ґрунтів, що залежить від глибини перетину (х);

та – функції, що характеризують жорсткість ґрунтів в залежності від глибини х в межахзсувного блоку і нижче за поверхню ковзання в горизонтальному напрямі;

– те ж у вертикальному напрямі;

h – глибина до поверхні зсуву на ділянці влаштованої утримуючої протизсувної споруди;

та – відповідно глибина занурення вертикальних елементів утримуючих протизсувних споруд та їх поперечний розмір;

– коефіцієнт, що враховує ступінь стійкості зсувних ґрунтів, які безпосередньо примикають до утримуючої споруди із низового боку ( =2, якщо коефіцієнт стійкості зсувних ґрунтів схилу більше або рівний 1,5. Якщо стійкість зсувних блоків, що примикають до споруди, не гарантується тоді =1. У всіх інших випадках значення m беретьсязгідно лінійної екстраполяції залежно від коефіцієнта стійкості для вказаних ґрунтів);

– жорсткість перетину вертикального утримуючого елементу (стовпа або палі);

– попередня величина натягу вантажу анкера;

– площа перетину верхнього анкера (плити) на один вантаж;

– довжина ділянки вантажу від поверхні ковзання, де є епюра опору гнучкої утримуючої споруди зсувному тиску;

– величина вертикального коефіцієнта жорсткості ґрунту на рівні підошви верхнього анкера;

– коефіцієнт тертя зсувних ґрунтів вздовж утримуючих елементів споруди.

Для розрахунку дворядних утримуючих протизсувних споруд потрібне рішення складніших систем рівнянь. Так, для розрахунку протизсувних споруд, показаних на рис. 6.24, г, використовують наступну систему диференціальних рівнянь

. (6.90)

Граничні умови для системи рівнянь (6.90) наступні:

. (6.91)

Рішення рівнянь, що описують роботу утримуючих протизсувних споруд. Для ґрунтів, горизонтальний коефіцієнт жорсткості яких із глибиною змінюється за лінійним законом (див. рис. 6.28), функції та можуть бути представлені у вигляді

, (6.92)

де та – горизонтальні коефіцієнти жорсткості ґрунту відповідно рівні на денній поверхні та поблизу поверхні ковзання в межах зсувних ґрунтів;

і – те же саме на денній поверхні ковзання та на глибині занурення вертикальних утримуючих елементів в межах стійких порід нижче за поверхню ковзання.

Інтегруючи рівняння (6.85) (для умови , коли рівняння зсувів (6.84) можна представити у вигляді ), отримаємо наступну систему рівнянь для обчислення коефіцієнтів а і b

(6.93)

Для визначення коефіцієнтів а і b в табл. 6.3 та 6.4 приведені рішення системи (6.93), отримані за умови та при та для трьох значень .

Величину моментів, що згинають, визначають згідно наступних залежностей

при ;

; (6.94)

при ; . (6.95)

При лінійній зміні горизонтального коефіцієнта жорсткості ґрунтів рівняння (6.86) в аналітичному вигляді не рішається тому потрібно використати чисельні методи. Тоді зміна коефіцієнта жорсткості ґрунтів із глибиною апроксимується наступними функціями

(6.96)

Де q ₁, q₂ та a_h – для скорочення запису позначили

; (6.97)

; (6.98)

. (6.99)

Враховуючи це система рівнянь (6.86) матиме вигляд

(6.100)

Рішення рівнянь (6.100) наступне

при ;

; (6.101)

при ;

; (6.102)

де і для скорочення запису позначили наступні вирази

; (6.103)

. (6.104)

Таблиця 6.3 – Значення коефіцієнтів а та b при m=1

Таблиця 6.4 – Значення коефіцієнтів а та b при m=2

Коефіцієнти і знаходять рішенням системи алгебраїчних рівнянь, складених із врахуванням граничних умов (6.87).

Поперечні сили та згинаючі моменти, визначають шляхом диференціювання рівняння (6.101, 6.102)

. (6.105)

Для однорядної гнучкої утримуючої протизсувної споруди (див. рис. 6.29) рішення рівняння (6.88) вдається отримати, якщо нехтувати величиною тертя ґрунту до привантаження ( =0) та величиною члена , що визначає опір вертикальному переміщенню привантаження, при

, (6.106)

де для скорочення запису позначили

. (6.107)

Враховуючи вище сказане рішенням рівняння (6.89) буде

, (6.108)

де для скорочення запису позначили

; (6.109)

– загальний натяг каната тяги, яке визначається методом послідовних наближень за рівнянням

. (6.110)

Якщо в межах мас, що зсунулися, значення коефіцієнта жорсткості ґрунту може бути прийнято постійним, рішення рівняння (6.89) спрощується до вигляду

, (6.111)

де α для скорочення запису позначили

. (6.112)

Для вказаного випадку можна отримати рішення рівняння (6.89) і складніше

. (6.113)

Підставляючи, що отримаємо

; (6.114)

. (6.115)

Враховуючи дані залежності отримаємо наступне рішення рівняння (37)

. (6.116)

Постійні інтегрування визначають із відповідних граничних умов.

Рішення загальних систем рівнянь (6.90) та інших спрощується, якщо їх рішати чисельними методами із використанням ПЕОМ.

Основи інженерного методу розрахунку утримуючих протизсувних споруд. Конструкції утримуючих протизсувних споруд розраховують із врахуванням несучою здатності утримуючих елементів та ґрунту, в який вони влаштовані, а також стійкості протизсувної споруди.

Розрахунки на тріщиностійкість, або розкриття тріщин потрібні тільки в тому випадку, якщо на місці влаштування протизсувної споруди його утримуючі елементи піддаються дії агресивного середовища, здатного вплинути на міцність конструкцій.

Основним зусиллям, від яких виникає напруження в утримуючих протизсувних спорудах, є зсувний тиск від поверхневого зсуваючого тиску ґрунту.

Якщо утримуюча споруда встановлена на ділянці схилу, де зсув поверхневих ґрунтів не спостерігається, а поверхня схилу перед утримуючою протизсувною спорудою і за нею мають однакову вертикальну відмітку, то напруження в елементах такої споруди рівні нулю.

Істотне значення при розрахунку утримуючих споруд на міцність має епюра розподілу поверхневого зсувного тиску. Виходячи із прийнятих передумов, ординату епюри поверхневого зсувного тиску е(х) на глибині х перед утримуючою протизсувною спорудою визначають із залежності

. (6.117)

Епюру зміни поверхневій деформації по глибині будують на основі замірів переміщень глибинних реперів.

Якщо зсув відбувається вздовж однієї поверхні ковзання, а зсувний блок зміщується як жорстке тіло, тоді величину переміщення даного блоку розраховують за формулою

. (6.118)

При лінійній зміні коефіцієнта жорсткості ґрунту по глибині рівняння (6.118) прийме вигляд

. (6.119)

А якщо зсувні ґрунти складаються із декількох шарів ґрунтів різної жорсткості тоді

; (6.120)

Відповідно епюра розподілу ґрунтового тиску розраховується за формулою

, (6.121)

де i – кількість шарів;

, – відповідно жорсткість та потужність окремих зсувних шарів ґрунтів.

Найбільше значення ордината поверхневого зсувного тиску знаходиться в точці контакту протизсувної споруди із корінними породами.

При дослідженні поверхневого зсуву на моделі відкосу із однорідного глинистого ґрунту М. Н. Гольдштейном було встановлено, що характер епюри поверхневого зсувного тиску вздовж відкосу є трапецеїдальний.

Практикою було доведено, в процесі зсуву споруди та насуву зсувних мас ґрунтів спостерігаються ущільнення і зміцнення ґрунту поблизу поверхні ковзання та в зоні контакту із утримуючою спорудою, що в загальному випадку не описується залежністю (6.117). Тоді, для загального випадку із врахуванням залежності коефіцієнта жорсткості від величини зсуву формула (6.117) прийме вигляд

. (6.122)

Величину зсувного тиску на утримуючу споруду визначають із умови стійкості схилу вздовж поверхні ковзання. Якщо відповідно до проектних рішень нижче протизсувної споруди проводиться виїмка ґрунту до рівня поверхні ковзання або якщо зсувні ґрунти, що розташовані нижче споруди, мають недостатній коефіцієнт стійкості ( < 1,5), величину зсувного тиску розраховують за формулою

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 98; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!