В. А. Миленин и А. С. Филаткин

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Мосты»

В.А. МИЛЕНИН и А.С. ФИЛАТКИН

РАСЧЕТ ШПУНТОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ, НАХОДЯЩИХСЯ В АКВАТОРИИ РЕКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

М о с к в а - 2005

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Мосты»

 

В.А. МИЛЕНИН и А.С. ФИЛАТКИН

 

РАСЧЕТ ШПУНТОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ, НАХОДЯЩИХСЯ В АКВАТОРИИ РЕКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по дисциплине

«СТРОИТЕЛЬСТВО МОСТОВ»

для студентов специальностей

«МОСТЫ И ТРАНСПОРТНЫЕ ТОННЕЛИ»,

«СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ»,

«СТРОИТЕЛЬСТВО ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ»

 

 

М о с к в а – 2005

УДК 624.218/8.002:625.70

М 60

 

 

Миленин В.А., Филаткин А.С. Расчет шпунтовых ограждений, находящихся в акватории реки: Учебное пособие – М.: МИИТ, 2005 – 126 с. Рис. 21, табл. 7.

 

Учебное пособие содержит расчётные схемы наиболее часто встречающихся в практике мостостроения конструктивных решений вспомогательных сооружений при возведении фундаментов опор в условиях акватории реки под защитой шпунтовых ограждений. Студентам предоставляется возможность проанализировать рациональность выбранных ограждающих устройств путем варьирования расчётных схем.

 

Р е ц е н з е н т ы:

д.т.н. Улупов А.С. (ОАО «Институт Гипростроймост»)

к.т.н. доцент Кириллова Н.Ю. (МИИТ)

 

 

Ó Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2005.

Введение

В учебном пособии рассмотрены расчётные схемы наиболее часто встречающихся в практике мостостроения конструктивных решений вспомогательных сооружений при возведении фундаментов опор в условиях акватории реки под защитой шпунтовых ограждений.

В данном пособии предлагаются к рассмотрению варианты расчёта шпунтовых ограждений, которые учитывают гидрогеологические особенности в местах сооружения фундаментов опор.

Студентам предоставляется возможность, при выборе расчётной схемы с учётом особенностей места сооружения и конструкции фундамента мостовых опор, проанализировать рациональность выбранных ограждающих устройств путем варьирования расчётных схем. При этом необходимо учитывать так же организационно-технологические схемы производства работ по сооружению фундамента опор, т.е. возможность применения имеющегося технологического оборудования, особенности природно-климатических условий и времени производства работ.

Необходимость разработки настоящего учебного пособия вызвана теми изменениями, которые произошли в системе нормативных документов для строительства, внедрения новой более эффективной техники и новых прогрессивных технологий в мостостроении, а так же отсутствием в настоящее время современных учебных пособий.

В учебном пособии в качестве справочных данных приведены нормативные значения некоторых характеристик грунтов, характеристики шпунтовых свай и некоторые другие данные.

Учебное пособие предназначено для студентов транспортных дорожных вузов и факультетов.

Учебное пособие написали: канд. тех. наук, доцент В.А.Миленин ¾ раздел 1 ¾ совместно с А.С. Филаткиным; раздел 3 (п.I - VII), 5.

Ст. преп. А.С.Филаткин ¾ раздел 2, 3 (п.VIII), 4, 5, Приложения.

Оформление учебного пособия выполнено А.С. Филаткиным.

Рецензенты:

Главный специалист ОАО «Институт Гипростроймост» д-р техн. наук А.С. Улупов;

канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) Н. Ю. Кириллова.

1. Общие рекомендации.

Временные ограждения из металлических и деревянных забивных шпунтовых свай применяются для крепления стенок котлованов при сооружении опор в акватории реки, при устройстве искусственных островков и в других случаях, требующих повышенного внимания к прочности и плотности конструкции ограждения и к безопасному ведению работ при строительстве мостов.

Материал и сечение шпунтовых свай при выборе конструкции ограждения назначаются на основании расчетов на прочность и устойчивость при необходимом технико-экономическом сравнении.

Необходимые конструктивные решения, технические требования, указания о порядке загружения и расчеты по проектированию шпунтовых ограждений следует выполнять с соблюдением рекомендаций «Норм и правил проектирования СТП 136-99. Специальные вспомогательные сооружения и устройства для строительства мостов» [1].

Ограждение из деревянного шпунта следует проектировать при глубине воды до 3 метров и погружении в грунт в зависимости от его плотности на глубину до 6м, при условии, что в грунте нет включений в виде камней, затонувших деревьев и других препятствий.

Деревянный шпунт рекомендуется применять преимущественно из лесоматериалов хвойных пород не ниже 2-ого сорта, а лиственных пород при длине не свыше 3м. Конструктции поперечных сечений шпунтин следует принимать по рекомендациям [1].

На открытых водотоках при глубине воды 3-4 м ограждение из деревянного шпунта рекомендуется проектировать двойное с расстоянием между шпунтовыми стенками не менее 1м с заполнением пазух между стенками мелким песком, супесями или суглинками, с содержанием глинистых частиц не более 20%. Расстояние между маячными сваями не должно превышать 2м.

Необходимая величина заглубления шпунта в грунт устанавливается расчетом на общую устойчивость ограждения.

Глубина погружения внешнего ряда двойного деревянного шпунтового ограждения во всех случаях должна быть не менее 2м.

Ограждения из стального шпунта следует применять при глубине воды более 2м.

Для ограждения котлованов мостовых опор основным профилем стального шпунта является корытный профиль (см. Приложение 2).

Шпунт плоского профиля ввиду его незначительного момента сопротивления следует применять преимущественно для образования ограждения искусственных островков. Эти ограждения сооружаются цилиндрическими в плане.

Внутренние размеры в плане (в свету) шпунтовых ограждений массивных фундаментов и свайных фундаментов с вертикальными сваями, сооружаемых с применением тампонажной подушки или без нее, рекомендуется назначать, исходя из условий установки опалубки для сооружения фундамента или ростверка, но не менее чем на 0,3 м больше проектируемых размеров фундамента и ростверка.

При забивке наклонных свай в свайном фундаменте расположение шпунтового ограждения котлована должно быть назначено с таким расчетом, чтобы низ шпунтин отстоял от наклонных свай не менее чем на 1м.

Верх шпунтового ограждения в пойме реки (на суходолах) следует назначать на 0,3 м выше уровня грунтовых вод, а также на 0,3 м выше уровня планировочной отметки вокруг ограждения на суходоле.

При устройстве ограждения в акватории реки шпунтовое ограждение следует проектировать на 0,7м выше рабочего уровня воды в реке.

Расчетная отметка дна реки вокруг шпунтового ограждения принимается с учетом возможного размыва при рабочем уровне воды в реке.

Отметка низа шпунта определяется расчетом.

Величину заглубления шпунта ниже дна котлована или отметки размыва в связные, крупнопесчаные и гравелистые грунты независимо от результатов расчётов следует принимать не менее 1м, а для мелкопесчаных и плывунных грунтов, текучих, текуче-пластичных глин, суглинков и супесей не менее 2м.

В ограждениях с устройством тампонажного слоя бетона глубина забивки шпунта должна быть не менее 1м при любых грунтах. [1]

В случаях, определяемых расчетом, шпунтовые ограждения рекомендуется раскреплять горизонтальными обвязками по контуру котлована и распорками.

При сооружении оснований фундаментов из свай или свай-оболочек под защитой шпунтовых ограждений распорные конструкции ограждений должны проектироваться с учетом использования их одновременно как направляющих каркасов.

Общие положения расчета шпунтовых ограждений. [1]

1.1 Расчеты шпунтовых ограждений котлованов производят:

I. На устойчивость положения их элементов на стадиях разработки котлована и установки распорных креплений, полного удаления грунта и воды из котлована, а также обратной засыпки грунта и снятия креплений.

II. На прочность по материалу их элементов на стадиях установки распорных креплений, разработки грунта в котловане и откачки воды из котлована.

III. На устойчивость дна котлована против выпучивания и фильтрационного выпора — для шпунтовых ограждений, заглубленных в пески, супеси и песчаные илы, на стадии откачки воды из ограждения.

1.2 Минимальную глубину забивки шпунта (считая от дна котлована или отметки размыва) по условию обеспечения устойчивости стенок против опрокидывания определяют по формуле:

[2]

¾ расчетный момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) стенки

¾ расчетный момент удерживающих сил относительно той же оси

¾ коэффициент надежности по назначению, принимаемый равным 1.1

¾ коэффициент условий работы:

¾ при расчете шпунтового ограждения, не имеющего распорных креплений;

при расчете шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений:

¾ в случае связных грунтов, а также несвязных, но при заглублении острия шпунта в слой глины или суглинка;

в остальных случаях несвязных грунтов:

¾ при частичной откачке воды из котлована на глубину (от РУВ) не более на водотоках и не более на местности, не покрытой водой;

¾ по графику при полной откачке воды из котлована (Рис. 1.1).

µ_гр=h _гр / H

h _гр ¾ расстояние от дна котлована до уровня грунта снаружи котлована

¾ глубина котлована

¾ расстояние от дна котлована до горизонта грунтовых вод

 

Рис. 1.1

 

При расчете шпунтовых ограждений с многоярусным распорным креплением:

- следует принимать по рекомендациям для шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений с той лишь разницей, что при полной откачке воды из котлована, разрабатываемого в несвязных грунтах на открытых водотоках, значение следует принимать по графику (Рис.1.2).

 

 

 

Рис.1.2

 

1.3 Расчетные давления воды и грунта (активного и пассивного) получают умножением нормативных давлений на коэффициенты надежности по нагрузке, принимаемые для активного давления грунта ; для воды , и для пассивного давления грунта .

1.4 При устройстве ограждения в водопроницаемых грунтах в расчетах шпунтовой стенки на стадии ее работы до бетонирования тампонажного слоя учитывают гидростатическое давление, соответствующее стадии откачки воды из котлована на глубину 0,25H, но не менее 1,5м, необходимую для постановки одного яруса креплений и с последующей укладкой тампонажного слоя бетона.

1.5 Ограждения из шпунта, забиваемого в водонепроницаемый грунт (суглинок или глину), расположенный ниже горизонта воды, следует рассчитывать на горизонтальные нагрузки, соответствующие двум схемам:

Схема 1 - принимают, что ниже поверхности водонепроницаемого грунта горизонтальное давление на шпунтовую стенку обусловлено только гидростатическим давлением воды, проникающей между стенкой и грунтом на глубину (отлипание стенки от грунта);

Схема 2 - отлипание стенки от грунта не происходит: грунт оказывает горизонтальное давление на стенку, с одновременным гидростатическим давлением. При наличии над водонепроницаемым грунтом водопроницаемого учитывается и давление последнего с учетом его взвешенного состояния в воде.

1.6 Элементы креплений должны рассчитываться на совместное действие горизонтальной нагрузки, передаваемой шпунтовыми стенками, и вертикальной нагрузки от веса обустройств и конструкций, предусмотренных проектом. Наибольший изгибающий момент в элементе от веса обустройств и конструкций не должен быть меньше наибольшего изгибающего момента от равномерно распределенной нагрузки интенсивностью .

1.7 Давление стенки на распорку определяется по формуле:

¾ усилие в распорке

¾ давление стенки на погонный метр обвязки крепления

¾ пролеты обвязки слева и справа от рассматриваемой распорки

Сечение распорки подбирают из расчета на прочность

¾ коэффициент, учитывающий понижение расчетного сопротивления, для древесины сосны второго сорта,

¾ расчетное сопротивление изгибу элементов из бревен естественной конусности, кгс/см²

¾ коэффициент продольного изгиба.

1.8 Расчеты элементов шпунтовых ограждений на прочность выполняются с применением коэффициентов:

o надежности по назначению:

¾ для шпунтовых ограждений на местности, покрытой водой;

¾ во всех остальных случаях;

o коэффициентов условий работы, учитывающими возможность относительных смещений шпунтин в замке (для шпунта типа ШК или Ларсен):

¾ в случае слабых грунтов и отсутствии обвязок, прикрепленных к шпунту;

¾ в случае тех же грунтов и наличии обвязок, прикрепленных к шпунту;

¾ в остальных случаях,

при расчете прочности шпунтовых стенок (но не креплений) должны вводиться коэффициенты условий работы, равные:

¾ для стенок кольцевых в плане ограждений;

¾ для стенок длиной менее 5м замкнутых в плане ограждений прямоугольной формы с промежуточными ярусами распорных креплений.

1.9 Геометрические характеристики стальных шпунтовых свай принимают согласно Приложению 2.

1.10. Различные случаи грунтовых и гидростатических воздействий на шпунтовые ограждения рассмотрены в последующих разделах настоящего пособия

 

Примеры расчеты шпунтового ограждения.

Пример 1

Проверка выполняется.

 

 

Таким образом,

· шпунтовое ограждение рекомендовано устраивать с без крепления из шпунта Ларсен Л-IV, забиваемого на глубину 1.5 м

 

Пример 2

Слоя несвязного грунта.

Необходимо определить глубину погружения шпунта ниже дна котлована и марку применяемого шпунта. Сооружение шпунтового ограждения производится в русле реки. В основании фундамента находится два слоя грунта. Котлован под ростверк заглублен в связный грунт.

Характеристики грунта:

1 слой ¾ несвязный грунт

· песок мелкий;

· толщина пласта ¾ м;

· удельный вес ¾ тс/м³;

· коэффициент пористости ¾ ;

· угол внутреннего трения ¾ .

2 слой ¾ связный грунт

· суглинок консистенции ;

· коэффициент пористости ¾ ;

· удельный вес ¾ тс/м³;

· удельное сцепление ¾ кгс/см² (2.8 тс/м²);

· угол внутреннего трения ¾ .

Характеристики котлована:

· глубина воды ¾ м;

· удельный вес воды ¾ тс/м³;

· глубина котлована ¾ м.

СХЕМА 1: принимаем к расчету шпунтовую стенку без распорного крепления. Учитываем сцепление шпунта с грунтом (рис. 5.2, А).

При устройстве ограждения без тампонажного подушки (для связных грунтов она ненужна) минимальную глубину забивки шпунта ниже дна котлована определяют по формуле

Глубину определяем из условия обеспечения устойчивости стенки против опрокидывания, считая ось поворота стенки расположенной на этой глубине.

Удельный вес несвязного грунта во взвешенном состоянии составляет

тс/м³

Интенсивность гидростатического давления воды на глубине составит

Интенсивность гидростатического давления в связном грунте с учетом сцепления составит

Коэффициент активного давления связного грунта (второй слой) составляет

Интенсивность активного давления несвязного грунта на глубине составит

Коэффициент активного давления несвязного грунта (первый слой) составляет

Интенсивность активного давления несвязного грунта в связном грунте на глубине составит

Интенсивность активного давления связного грунта на глубине составит

Интенсивность сцепления грунта со шпунтом, для активного давления, составляет

Интенсивность пассивного давления грунта на глубине составит

Коэффициент пассивного давления составляет

Интенсивность сцепления грунта со шпунтом, для пассивного давления составит

Уравнение устойчивости:

(относительно точки «О»)

¾ момент опрокидывающих сил относительно точки «О»

¾ момент удерживающих сил относительно точки «О»

¾ коэффициент условия работы,

¾ коэффициент надежности по назначению,

Рассматриваем устойчивость стенки против опрокидывания поворотом стенки относительно оси, расположенной на глубине ниже дна котлована (точка «О» на рис. 5.2, А).

Опрокидывающие силы: , , , , принимается с коэффициентом надежности по нагрузке и .

Равнодействующие гидростатического давления и , действующие на стенку составляют:

тс

Равнодействующие активного давления несвязного грунта , , действующие на стенку составляют

тс

тс

Равнодействующая активного давления грунта с учетом сцепления с внешней стороны, действующего на стенку определяется как совокупность сил

Равнодействующая активного давления грунта составит

Равнодействующая сцепления шпунта с грунтом с внешней стороны составит

Момент от действия опрокидывающих сил , , , , относительно точки «О»:

Удерживающая сила: , принимается с коэффициентом надежности по нагрузке .

¾ равнодействующая пассивного давления грунта с учетом сцепления со стороны котлована, действующего на стенку.

В связи со сложной формой эпюрой пассивного давления, разбиваем её на простые фигуры (треугольники и прямоугольник), у которых просто определять площадь и центр приложения равнодействующих сил. Получаем

¾ равнодействующая пассивного давления для треугольника высотой и основанием равным . Получаем

¾ равнодействующая пассивного давления для треугольника высотой 1 м и основанием равным . Получаем

¾ равнодействующая пассивного давления для прямоугольника высотой м и основанием равным . Получаем

Момент от действия удерживающей силы относительно точки «О»:

После подстановки величин моментов удерживающих и опрокидывающих сил в уравнение устойчивости, получаем неравенство:

Неравенство выполняется при м.

В рассмотренном случае, при глубине котлована 6.5 м, требуется заглубление стенки не менее 5.3 м. Рассмотрим возможность сократить величину погружения шпунта ¾ постановкой распорки внутри шпунтового ограждения.

Условия сооружения шпунтового ограждения прежние.

Распорку установим на глубине м от РУВ.

СХЕМА 2: принимаем к расчету шпунтовую стенку с одним ярусом крепления. Учитываем сцепление шпунта с грунтом (рис. 5.2, Б и В).

Значения действующих опрокидывающих и удерживающих сил будем принимать равными из схемы 1 (рис. 5.2, А).

Уравнение устойчивости:

(относительно точки «О»)

¾ момент опрокидывающих сил относительно точки «О»

¾ момент удерживающих сил относительно точки «О»

¾ коэффициент условия работы,

¾ коэффициент надежности по назначению,

Рассматриваем устойчивость стенки против опрокидывания поворотом стенки относительно оси, расположенной в месте установки распорки (точка «О» на рис. 5.2, Б).

Момент от действия опрокидывающих сил , , , , относительно точки «О»:

Момент от действия удерживающей силы относительно точки «О»:

После подстановки величин моментов удерживающих и опрокидывающих сил в уравнение устойчивости, получаем неравенство:

Неравенство выполняется при м.

Минимальная глубина погружения шпунта с одним ярусом крепления по схеме 2 составляет 1.1 м.

Таким образом, постановкой распорки можно уменьшить глубину погружения шпунта.

Расчет на прочность по схеме 2 (рис. 5.2, В).

Расчет на прочность стенки с распорным креплением.

Уравнение прочности:

В расчете рассматривается 1 пог.м. поперечного сечения шпунта. Расчет выполняется по максимальному моменту, действующему в шпунте на 1 пог.м.

¾ момент сопротивления 1 пог.м. поперечного сечения шпунтовой стенки.

¾ расчетное сопротивление металла изгибу по пределу текучести (по СНиП 2.05.03-84*).

При марке стали 15ХСНД расчетное сопротивление изгибу кгс/см².

Рассматриваем балку на двух опорах с расчетным пролетом (рис. 5.2, В): опоры поставлены в месте установки распорки крепления (точка «О») и на половине глубины погружения шпунта (точка «В»). Длина расчетного пролета составляет

м

Давление воды и грунта, действующие на стенку ниже глубины , не учитывают. Изгибающий момент в сечении стенки, расположенном в пролете, допускается принимать равным:

0.75 ¾ коэффициент, учитывающий перераспределение давления грунта

Опорные реакции и определены от действующих сил (рис. 5.2, В).

тс тс

Максимальный действующий на стенку момент определим методом сечений.

тсм тсм тсм

 

Максимальный момент получен в точке 1:

тсм.

Находим требуемый момент сопротивления пог.м. стенки

см³

По требуемому моменту сопротивления выбираем по сортаменту тип шпунта с ближайшим большим моментом сопротивления:

шпунт ШК-2 с см³

Проверка выполняется.

Расчет распорки. Расчет распорки в точке О.

Давление стенки на распорку определяем по формуле

¾ интенсивность давления грунта на стенку.

Поскольку при расчетах распорки на устойчивость принимается 1 пог.м. ширины стенки, интенсивность давления определяется по формуле

тс/п.м.

, ¾ пролеты обвязки слева и справа от рассматриваемой распорки.

Примем м, тогда

тс.

В качестве распорки принимаем бревно Æ22 см ( см²) и м.

Имеем уравнение прочности

¾ коэффициент, учитывающий понижение расчетного сопротивления для древесины сосны 2^го сорта,

¾ расчетное сопротивление изгибу элементов из бревен естественной коничности, кгс/см²

¾ коэффициент продольного изгиба.

Для определения вычисляем гибкость

Коэффициент продольного изгиба

Получаем

Проверка выполняется.

Таким образом,

· шпунтовое ограждение рекомендовано устраивать с одним ярусом крепления из шпунта ШК-2, забиваемого на глубину 1.1 м

· распорки из бревна Æ 22 см рекомендовано устанавливать на глубине 1.5 м от РУВ с шагом между ними 2.5 м.

 

Пример 3

Проверка выполняется.

СТАДИЯ II: принимаем, что вода из котлована откачена полностью после укладки тампонажного слоя (рис. 5.4, В).

При расчете на устойчивость шпунтовой стенки в этой стадии имеется неопределенность в работе и выборе расчетной схемы. Производится только расчет на прочность. Значения действующих опрокидывающих сил , (участвующих в расчете на прочность) будем принимать равными из схемы 1 стадия II (рис. 5.3, В).

Интенсивность гидростатического давления на глубине составит

Интенсивность активного давления грунта , действующая с внешней стороны котлована, составит

Опрокидывающие силы: , принимаются с коэффициентом надежности по нагрузке и .

Равнодействующая гидростатического давления , действующая на стенку составляет:

тс

Равнодействующая активного давления грунта , действующая на стенку с внешней стороны, составит

тс

Уравнение прочности:

В расчете рассматривается 1 пог.м. поперечного сечения шпунта. Расчет выполняется по максимальному моменту, действующему в шпунте на 1 пог.м.

¾ момент сопротивления 1 пог.м. поперечного сечения шпунтовой стенки.