from 01.01.2019 until now
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) (Obscheinzhenernye discipliny, professor)
from 01.01.1980 to 01.01.2019
Moskva, Moscow, Russian Federation
Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
V stat'e privoditsya obzor publikaciy po metodam rascheta i eksperimental'nym issledovaniyam podpornyh sten
podpornye sooruzheniya, metody rascheta, eksperimental'nye issledovaniya
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Text (PDF): Read Download
Статья посвящена обзору отечественных и зарубежных публикаций по расчетам подпорных стен. Подпорные стены в настоящее время имеют широкое применение в практике строительства в России и за рубежом и используются при строительстве целого ряда сооружений различного назначения. Стремительные темпы научно-технического прогресса и широкое применение принципов рационального проектирования делают совершенствование методов расчета подпорных стен весьма актуальной задачей.
Проведенный обзор работ содержит как развитие теоретических исследований, так и результаты экспериментальных исследований работы подпорных стен. Обращено особое внимание публикациям в журнале «Основания, фундаменты и механика грунтов», значительная часть статей которого переведена на английский язык и широко известна за рубежом.
В статье [1] Н.К. Снитко развивает решение об определении бокового давления сыпучего тела с учетом смещения клина сползания и трения по его боковым граням при решении пространственной задачи, развивая предложенные в [2] решения.
В работах [3 - 7] Ф.И. Шихиев и П.И. Яковлев в отличие от работ [2, 8] развивают решение об определении бокового давления многослойной засыпки на подпорную стенку. Вначале решена задача для случая, когда у слоев одинаковый угол внутреннего трения, но разный объемный вес, как это бывает при учете взвешивающего действия воды ниже уровня грунтовых вод. Для каждого слоя определяют площадки скольжения, объемные силы и построением силового многоугольника определяют равнодействующую активного давления на подпорную стенку. Аналитическое решение этой задачи было получено П.И. Яковлевым ранее [7]. Для случая, когда у слоистой засыпки отличаются φ и γ, авторы рассмотрели три возможных траектории прохождения поверхности скольжения и методом последовательных приближений получили давление на подпорную стенку с достаточной точностью и привели два примера решения с конкретными числовыми данными.
П.И. Яковлев провел опыты по исследованию работы подпорных стенок с одной [9] и двумя разгружающими плитами [4], в которых экспериментально получил равнодействующую активного давления при разной величине смещения подпорной стенки. При смещении подпорной стенки с одно и двумя разгружающими плитами в грунте обратной засыпки образуются внутренняя и внешняя поверхности скольжения. Автором использовались месдозы и были получены эпюры контактных давлений на подпорную стенку.
В работе [5] выполнен анализ экспериментальных работ разных авторов [6, 7, 10] и получены зависимости критических смещений в зависимости от разных факторов (шероховатость подпорной стенки, свойств грунта обратной засыпки и др.) и рекомендовано активное давление определять по полученным формулам.
Клейн Г.К. в продолжение работы [8] предложил статистический подход к выбору оптимальных, с точки зрения стоимости, размеров подпорных стен [11]. Реализация метода статистических испытаний в виде алгоритма многократного моделирования вектора вероятности на ЭВМ позволяет получить оптимальное решение.
В опытах проведенных М.Н. Варгиным в 1964-1965 годах [12] исследовалась работа подпорной стенки на скальном основании. В качестве грунта обратной засыпки использовался сухой и водонасыщенный песок. К поверхности засыпки прикладывалась ступенчато равномерно распределенная по поверхности полезная нагрузка. Использование тензометрических приборов позволило выявить криволинейный характер эпюры давления на подпорную стенку и расположение равнодействующей давления на высоте 0,35 – 0,47 h, что при смещении подпорной стенки приводит к увеличению общего опрокидывающего момента. Т.о. выявлено несоответствие действительной работы подпорной стенки расчетным схемам по Кулону.
В опытах Бугрова А.К. [13] получена зависимость коэффициента постели от величины давления и уплотнения грунта засыпки и выявлен нелинейный характер зависимости предельного смещения подпорной стенки от глубины нахождения поверхности скольжения. Предложена формула определения смещения подпорной стенки хорошо согласующаяся с опытами А.З. Зархи [14], что позволило получить формулу для определения давления грунта на подпорную стенку при известном смещении с результатом приемлемым для практического применения.
Будин А.Я. [15, 16] предложил использовать грунтовые анкеры в подпорных стенках с упругими компенсаторами в дополнение к ранее проведенных исследований [17]. Получено выражение для коэффициента жесткости компенсатора при котором усилие в анкере снижается до заданной допустимой величины. Затем получена формула для определения перемещения анкера во времени. Это позволяет подбирать параметры упругих компенсаторов и проектировать анкеры с заданной долговечностью.
Для обратной засыпки подпорных стен редко используются набухающие грунты и разрешению этого вопроса посвящена работа Е.А. Сорочан [18]. Активное давление при этом суммируется с. На основе полевого эксперимента и дополнительных опытов с хвалынской и покровной глинах определено давление набухания на подпорную стенку при ее смещении, а также эффект введения в грунт обратной засыпки сильносжимаемого материала (крошки пенопласта). Предложена температурно-влажностная модель набухающего грунта для исследования НДС грунта засыпки реализованная в МКЭ. Выполнено сравнение НДС с результатами полевых испытаний [19].
При устройстве подпорных стен на склонах к активному давлению добавляется оползневое давление [20, 21]. Использование ЭВМ позволило Л.К. Гинзбургу просчитывать несколько возможных поверхностей скольжения и за расчетную поверхность принимать наиболее опасную. В статье [20] приведены пример реализации подпорной стены и подпорной стены на свайном фундаменте с контрбанкетом, а также рекомендации по усилению существующих стен. Результаты опытов на моделях противооползневых конструкций из нескольких рядов свай описаны в [22]. Выполнен анализ величины изгибающих моментов по длине тензосвай при использовании различных грунтов моделирующих оползневую толщу. Проводилось моделирование заделки нижних концов свай в прочное основание выявлено распределение усилий между рядами свай при свободных верхних оголовках свай и их соединении ростверком приведенное в табличном виде. В работе [23] Л.К. Гинзбург подверг сомнению результаты натурных и лабораторных исследований, изложенные в [24], хотя они относится к моделированию подпорных стен, состоящих из двух рядов буронабивных свай. Авторы работы [24] оценивая арочный эффект, возникающий при определенном расстоянии между сваями в первом ряду, приходят к выводу о том, что второй ряд свай незначительно вовлекается в работу подпорной стенки. Для малосвязного грунта обратной засыпки данные о распределении активного давления между рядами свай приведены в табличном виде, а также выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных.
При анализе работ ряда авторов, выполненном А.Ф. Кобахидзе [25] решения разделены на две группы первая – в соответствии с решением Кулона эпюра давлений прямолинейна (треугольной) и вторая группа в которой эпюра криволинейна. Автор предположил, что это связано с условиями в нижней части клина сползания. Опыты [26] показали, что при наличии скального основания эпюра давления на подпорную стенку в нижней точке стремится к нулю и необходимо предпринимать дополнительные мероприятия по обеспечению устойчивости подпорных стен.
В продолжение методики расчета М.Н. Гольдштейна [27] в работе [28] применили вариационный метод к расчету оползневого давления на подпорные стены и разработали алгоритм аналитического расчета, а работе [29] эти решения улучшены.
Подпорная стена набережной типа больверк с эпюрой давления по Кулону (по закону треугольника) с учетом смещения стенки разработал В.М. Карпов [30]. Он принял гипотезу о том, что стенка поворачивается относительно точки закрепления (анкера). Решение получено для упругой среды, а для исключения разрыва сплошности согласно М.И. Горбунова-Посадова [31] вводит специальный коэффициент. В статье приведено сравнение теоретического смещения и наблюдаемое в натуре.
Опыты с плоскопараллельным перемещением металлической стенки с погруженной в песчаные и глинистые грунты описаны в [32]. Авторами изучены размеры и форма тел выпирания грунта, по которым определялись сцепление и угол внутреннего трения, а затем сравнивались с полученными в приборе одноплоскостного среза. Однако размеры моделей позволяют оценить сопротивление грунта сдвигу только в первом приближении.
В работах Ю.Б. Михайлова [33, 34] разработан метод определения активного и пассивного давления на подпорные стенки от ступенчатых и ступенчато-возрастающих нагрузок при ломанном очертании поверхности обратной засыпки. Решения получены для невесомой среды с использование линий разрыва. Из множества возможных решений выбираются те при которых активное давление максимально, а пассивное давление – минимально. Автор выполнил сравнение результатов расчета с расчетом по методикам других авторов [8] и графоаналитическим методом С.С. Голушкевича [35], который учитывает вес при определении давления на подпорную стенку. Разработанный Ю.Б. Михайловым метод служит основой для разработки на его основе численных методов.
О.Л. Рудых в работе [36] предложил методику использования МКЭ для определения давления грунта на подпорные стены и определения НДС засыпки. Им предложено кривые деформирования, полученные в стабилометрах, аппроксимировать гиперболой, а для описания предельного состояния грунта использовать критерий Кулона-Мора. Для решения упругопластической задачи использован метод переменных параметров в сочетании с методом последовательных приближений. На первом шаге получают поле перемещений внутри массива грунта по результатам упругого решения. Это позволяет получить в центрах КЭ главные напряжения и их их интенсивность. Затем уточняют характеристики грунта и расчет повторяется до получения удовлетворительной сходимости результатов последних двух шагов приближения. Граничные условия задаются в перемещениях, что облегчает формирование матрицы жесткости.
В работе [37] Ф.Я. Новиков вначале приводит общие вопросы возведения подпорных стен для вечномерзлых грунтов, а затем предлагает метод расчета распорного давления [38] при сезонном оттаивании грунта.
Вопрос математической оптимизации уголковой подпорной стены с анкером по критерию стоимости рассмотрен в [39], что позволяет получить экономию материала до 15 %.
Н.Ф. Какосимиди получил реактивные давления основания и изгибающие моменты в полосе погруженной в упругоползучее основание [40], которое может быть использовано при расчете шпунтовых ограждений, фундаментных стенок, больверков и др. на конкретном примере показа важность учета реологических процессов в грунте основания.
Отдельный класс работ посвящен использованию буронабивных свай в противооползневых сооружениях [41 - 44] в которых предложены четыре этапа проектирования таких сооружений включающие оценку устойчивости оползневого участка, комплексный расчет удерживающего сооружения, конструирование железобетонных элементов сооружения и выпуск итоговых документов [41].
Проведенные в последние годы обследования ряда подпорных сооружений различного назначения [45, 46] показали, что дефекты подпорных сооружений имеют общие причины возникновения, что позволяет сформулировать принципы совершенствования методов их расчета. В соответствии с международным пониманием геотехнических проблем [47] формулирование принципов расчета подпорных стен для обеспечения безопасности их эксплуатации и долговечности по-прежнему является актуальной задачей.
По аналогии со стандартом [47] целесообразно рассматривать следующие предельные состояния:
- общая потеря устойчивости;
- разрушение структурных элементов, на пример стены, анкера, обвязочного пояса или подпорки, или разрушение соединения между такими элементами;
- комбинированное разрушение в грунте основания и в элементах структуры;
- разрушение под действием гидравлического вспучивания или размывания;
- перемещение удерживающей структуры, которое может вызвать обвал или нарушить эффективное использование структуры или соседних строений, опирающихся на нее;
- недопустимая фильтрация воды через или под стеной;
- недопустимый перенос частиц грунта через или под стеной;
- недопустимое изменение режима грунтовых вод.
Такой подробный подход и детализация предельных состояний не противоречит российским нормам и согласуется с основными принципами проектирования подпорных сооружений [48].
В заключение отметим, что использование метода предельного напряженного состояния дают более точные решения по величине давления на подпорные стенки, чем методы использующие плоские поверхности скольжения по Кулону.
1. Snitko N.K. Opredelenie bokovogo davleniya sypuchego tela s uchetom sdviga stenki i klina spolzaniya // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 4, 1971, s. 1-3.
2. Snitko N.K. Staticheskoe i dinamicheskoe davlenie gruntov i raschet podpornyh sten.- L.: Gosstoryizdat, - 1963, 295 s.
3. Shihiev F.M., Yakovlev P.I. Aktivnoe davlenie raznosloynoy zasypki na podpornuyu stenku // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1975, s. 24-26
4. Yakovlev P.I. Eksperimental'nye issledovaniya davleniya grunta na stenki s dvumya razgruzhayuschimi plitami pri razryvnyh nagruzkah na zasypke // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 3, 1974, s. 7-9.
5. Shihiev F.M., Vargin M.N. O kriticheskih smescheniyah ograzhdeniy, privodyaschih k predel'nomu sostoyaniyu v zasypke // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 1, 1971, s. 3-5
6. Shihiev F.M. Kinematicheskaya teoriya davleniya gruntov na prichal'nye sooruzheniya i drugie tipy zhestkih i gibkih ograzhdeniy. Avtorefert dokt. diss. Leningrad.- 1965, 45 s.
7. Yakovlev P.I. Issledovanie nekotoryh sposobov umen'sheniya davleniya grunta na podpornye stenki i prichal'nye sooruzheniya. Avtoreferat kand. diss., Odessa, 1964, 20 s.
8. Kleyn G.K. Raschet podpornyh sten. M.: Vysshaya shkola.- 1964, 196 s.
9. Cagareli Z.V. Novye oblegchennye konstrukcii podpornyh sten. M.: Stroyizdat.- 1969, 208 s.
10. Prokof'ev I.P. Davlenie sypuchego tela i raschet podpornyh stenok, M.: Stroyizdat.- 1947, 144 c.
11. Kleyn G.K., Karavaev V.N. Statisticheskiy podhod k vyboru optimal'nyh razmerov podpornyh sten // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 1, 1971, s. 1-3.
12. Vargin M.N. Deystvie sploshnoy nagruzki na podpornuyu stenku // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 3, 1968, s. 8-10.
13. Bugrov A.K. O davlenii nesvyaznogo grunta na zhestkuyu stenku s uchetom ee peremescheniy // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 4, 1980, s. 5-8.
14. Zarhi A.Z. Eksperimental'nye issledovaniya raspredeleniya reaktivnyh davleniy grunta na shpuntovuyu stenku i odinochnuyu svayu pri deystvii gorizontal'noy sily // Tr. LIIVT, vyp. XXI, 1954.
15. Budin A.Ya., Gurinskiy M.A. Raschet pruzhinnyh kompensatorov dlya gruntovyh ankerov // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 6, 1985, s. 11-13.
16. Pat. № 1222757 Ankernaya tyaga podpornoy stenki / Perley E.M., Budin A.Ya., Gurinskiy M.A. Zavl. № 3808670/29-33 ot 06.11.1984. Opubl. 07.04.1986. Byul. № 13
17. Budin A.Ya. Tonkie podpornye stenki. L.: Stroyizdat, 1974, 208 s.
18. Sorochan E.A., Ryabova M.S. Davlenie nabuhayuschego grunta na podpornye stenki // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 3, 1988, s. 9-11.
19. Sorochan E.A., Krivonosov Yu.F. Vliyanie gorizontal'nogo davleniya na zdaniya i sooruzheniya pri nabuhanii grunta // Promyshlennoe stroitel'stvo.- 1972.- № 5.- s. 18-20.
20. Ginzburg L.K. Osobennosti ustroystva podpornyh sten na opolznevyh uchastkah // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 3, 1989, s. 3-5
21. Ginzburg L.K. Protivoopolznevye uderzhivayuschie konstrukcii.- M.: Stroyizdat, 1979.- 80 s.
22. Ginzburg L.K., Koval' V.E., Lapkin V.B., Vaskovskaya V.S. Raspredelenie usiliy mezhdu ryadami svay protivoopolznevoy konstrukcii // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1990, s. 7-11.
23. Ginzburg L.K. O raspredelenii davleniya grunta mezhdu ryadami svay // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1985, s. 28.
24. Karasev O.V., Berman V.I., Cesarskiy A.A. Eksperimental'nye issledovaniya dvuhryadnyh podpornyh sten iz buronabivnyh svay // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 6, 1983, s. 9-11.
25. Kobahidze A.F. K voprosu o forme epyury davleniy zasypki na podpornuyu stenku // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 1, 1977, s. 37-40.
26. Ignatov V.I., Bykov E.N., Shulev A.S. O raspredelenii davleniya zasypki na podpornuyu stenku // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 5, 1973, s. 41-43.
27. Gol'dshteyn, M.I., Dorfman A.G., Dudinceva I.L. Primenenie variacionnogo metoda k raschetu davleniya grunta na podpornye steny // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 4, 1969, s. 6-8.
28. Dorfman A.G., Dudinceva I.L. Primenenie variacionnogo metoda k raschetu opolznevogo davleniya na podpornye steny // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1971, s. 36-38.
29. Sahnovskiy A.M. Davlenie nesvyaznogo grunta na podpornye steny. Avtoref. kand. tehn. nauk.- Dnepropetrovsk.- 1984, 20 s.
30. Karpov V.M. Raschet smescheniy naberezhnyh tipa bol'verk, proektiruemyh po sheme svobodnogo opiraniya // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 6, 1972, s. 27-29
31. Ogranovich A.B., Gorbunov-Posadov M.I. Raschet fundamentnoy stenki na gorizontal'nuyu nagruzku s uchetom razryva sploshnosti osnovaniya // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 3, 1966, s. 27-29.
32. Cherkasov I.I., Baytursunova N.Z. Deformaciya poverhnosti grunta pri smeschenii zadelannoy v nego tonkoy stenki // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 6, 1972, s. 31-33.
33. Mihaylov Yu.B. Davlenie grunta na podpornye stenki ot stupenchatyh nagruzok // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 4, 1975, s. 23-26
34. Mihaylov Yu.B. Resheniya dlya slozhnyh sluchaev zagruzki podpornyh sten // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 5, 1988, s. 21-24
35. Golushkevich S.S. Statika predel'nyh sostoyaniy gruntovyh mass.- m:. Gostehizdat, 1957, 288 s.
36. Rudyh O.L. Ispol'zovanie MKE dlya opredeleniya davleniya grunta zasypki na podpornye steny // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1981, s. 20-22
37. Novikov F.Ya. Tonkie podpornye stenki dlya vechnomerzlyh gruntov // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 1, 1978, s. 20-22.
38. Novikov F.Ya. Raschet raspornogo davleniya grunta na podpornuyu stenku, vozvodimuyu na vechnomerzlyh gruntah // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 4, 1980, s. 14-18
39. Pochtman Yu.M., Zhmuro O.M., Landa M.Sh. Proektirovanie optimal'noy podpornoy stenki s ankernoy tyagoy // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 2, 1978, s. 17-18
40. Kakosimidi N.F. Raschet fundamentnoy stenki, zaglublennoy v uprugopolzuchee osnovanie // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 5, 1989, s. 23-24
41. Semenkov O.G. Komplex opredelenie kriticheskogo rasstoyaniya mezhdu elementami uderzhivayuschego sooruzheniya opolznevyh sklonov // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 5, 1988, s. 15-16
42. Semenkov O.G. opredelenie kriticheskogo rasstoyaniya mezhdu elementami uderzhivayuschego sooruzheniya opolznevyh sklonov // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 6, 1989, s. 11-12
43. Miturskiy S.N., Gricyuk L.V. Ispol'zovanie buronabivnyh svay v protivoopolznevyh sooruzheniyah // Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov, № 5, 1973, s. 20-22.
44. Derevenec F.N. Vzaimodeystvie opolznevogo grunta so svayami s uchetom konfiguracii uderzhivayuschego sooruzheniya. Avtoref. diss. kand. nauk.- Krasnodar.- 2006, 20 s.
45. Evtushenko S.I. Rezul'taty obsledovaniya i ocenka tehnicheskogo sostoyaniya podpornoy steny Potapovskogo kar'era v h. Verhniy Potapov / S. I. Evtushenko, A. V. Ryzhov // Stroitel'stvo - 2006 : materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Rost. gos. stroit. un-t. - Rostov n/D : RGSU, 2006. - [Ch. 2]. - S. 175-176.
46. Evtushenko S.I. Analiz sostoyaniya podpornoy steny v rayone obschezhitiya № 4 NGTU i zaklyuchenie o vozmozhnosti ee dal'neyshey ekspluatacii // Stroitel'stvo - 1998 : tezisy doklada Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Rost. gos. stroit. un-t. - Rostov n/D : RGSU, 1998. - S. 136-137.
47. TKP EN 1997-1-2009 Evrokod 7 «Geotehnicheskoe proektirovanie», Ministerstvo arhitektury i stroitel'stva Respubliki Belarus', Minsk, 2010.
48. Proektirovanie podpornoy steny na granice uchastkov po adresu sp. Masterovoy v g. Novocherkasske / S. I. Evtushenko, T. A. Krahmal'nyy, A. V. Ryzhov // Stroitel'stvo - 2006 : materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Rost. gos. stroit. un-t. - Rostov n/D : RGSU, 2006. - [Ch. 2]. - S. 167-168.
