Содержание к диссертации
Введение
1. Современный опыт устройства анкерного крепления котлованов при строительстве транспортных объектов 10
1.1. Отечественный и зарубежный опыт применения и устройства анкерного крепления 10
1.2. Классификация конструктивно-технологических решений грунтовых анкеров 21
1.3. Обеспечение несущей способности анкерного крепления 25
1.4. Постановка цели, задачи и выбор методов исследования 29
1.5. Выводы по главе 1 31
2. Анализ теоретических подходов к оценке устойчивости ограждений котлованов и прочности его крепления 32
2.1. Общие замечания 32
2.2. Основные этапы развития теории расчета устойчивости стен котлованов 32
2.2.1. Общие сведения о грунтах, как среде, вмещающей котлованы 32
2.2.2. Исходные положения механики грунтов 35
2.2.3. Исторический обзор развития методов расчета устойчивости подпорных стенок и крепления котлованов 39
2.3. Выводы по главе 2 73
3. Методика расчета, моделирование несущей способности анкерного крепления и устойчивости ограждения котлована. контроль качества 74
3.1. Общие положения проектирования ограждений котлованов 74
3.2. Методы расчета конструкции ограждения котлована с анкерами 78
3.2.1. Выбор расчетных схем 7
3.2.2. Статический расчет прочности конструкции ограждения 80
3.2.3. Расчет крепления котлована с анкерами на общую устойчивость 85
3.3. Разработка методики расчета ограждения котлована с анкерным креплением на общую устойчивость при сдвиге по круглоцилиндрической поверхности 96
3.3.1 .Вводные замечания и обоснования 96
3.3.2. Основные положения расчета 97
3.3.3. Построение окружности скольжения 98
3.3.4. Учет удерживающего действия анкерной крепи 102
3.4. Расчет несущей способности инъекционного анкера 109
3.4.1. Общая часть 109
3.4.2. Расчет несущей способности заделки анкера в грунт 110
3.4.3. Расчет прочности гибкой тяги инъекционного анкера 114
3.5. Расчет анкерной крепи по программам «КРЕПЬ» (ОАО ЦНИИС) и «VALL-3» (НИИОСП) 116
3.5.1. Общие замечания 116
3.5.2. Расчет анкерного крепления - программа «КРЕПЬ» 116
3.5.3. Расчет анкерного крепления -программа «WALL-3» 118
3.5.4. Сравнительные расчеты по программе «Крепь» и «Wall-З» 119
3.6. Исследование влияния внутренних и внешних факторов на систему «ограждение - анкер - грунт» с использованием методики имитационного моделирования 129
3.7. Контроль качества анкерного крепления 150
3.7.1. Методика проведения контроля качества 150
3.7.2. Обоснование надежности установления силовых характеристик при испытаниях анкерного крепления котлованов 158
3.7.3. Методика вероятностной оценки коэффициентов запаса усилий в анкере 161
3.8. Выводы по главе 3 175
4. Натурные исследования грунтовых инъекционных анкеров на строительстве третьего транспортного кольца в г. Москве 176
4.1. Методика и оборудование для проведения натурных исследований 176
4.2. Результаты испытаний анкеров различных конструкций и способов их устройства 184
4.3. Результаты натурных измерений перемещений ограждений котлованов.. 203
4.4. Сравнительный и статистический анализ полученных натурных данных. 214
4.5. Общая оценка производственного применения анкерного крепления и предложения по корректировке его параметров 248
4.6. Выводы по главе 4 250
5. Технико-экономическая эффективность от реализации предложений по корректировке длины анкеров 251
5.1. Общий подход к технико-экономической оценке применения анкерного крепления 251
5.2. Определение годового экономического эффекта 253
5.3. Предложения по объемам внедрения инъекционных анкеров на объектах г. Москвы, достигнутый и ожидаемый технико-экономический эффект 255
5.4. Выводы по главе 5 260
Общие выводы 261
Использованная литература 264
- Классификация конструктивно-технологических решений грунтовых анкеров
- Исторический обзор развития методов расчета устойчивости подпорных стенок и крепления котлованов
- Исследование влияния внутренних и внешних факторов на систему «ограждение - анкер - грунт» с использованием методики имитационного моделирования
- Результаты испытаний анкеров различных конструкций и способов их устройства
Введение к работе
Актуальность темы.
Важнейшей проблемой при развитии крупных современных городов является совершенствование внутригородских транспортных систем. В связи с увеличением пассажиропотоков, скорости и дальности передвижения, а также с повышенными требованиями к безопасности и комфортности поездок возникает необходимость дальнейшего строительства новых линий метрополитена, городских транспортных тоннелей с удобными развязками, подземных гаражей. При строительстве подземных транспортных объектов, а также других заглубленных в грунт сооружений предпочтение, как правило, отдается открытому способу с разработкой котлованов. Крепление котлованов в большинстве случаев выполняется либо в виде «стена в грунте», либо как свайное или шпунтовое ограждение. Связь ограждения с грунтом осуществляется преимущественно при помощи анкерного крепления.
Применяемое анкерное крепление обладает большими достоинствами: оно высвобождает внутреннее пространство котлованов, облегчая ведение работ открытым способом, снижает материалоемкость строительства за счет устранения стальных распорок (расстрелов), повышает уровень безопасности производства работ, делает строительство более экономичным, сводит к минимуму опасность осадок и деформаций расположенных вблизи зданий.
Крепление заглубленных сооружений анкерами малого диаметра (0,114-0,150 мм) и большой несущей способности (300-1000 кН) является достаточно новым видом строительных конструкций, так как применяется в практике отечественного строительства лишь в последние 25 лет. В тоже время, в таких странах как Франция, Германия, Англия, США, Япония, Чехословакия, Польша и других анкерное крепление нашло широкое распространение уже в 60-е годы. В последнее время известные конструкции и технологии устройства анкеров пополнились новыми, соответствие которых предъявляемым требованиям остается мало изученным. Одновременно возникает ряд вопросов по показателям работоспособности и надежности системы «ограждение - анкер - грунт».
Это потребовало дополнительных исследований по обеспечению прочности и устойчивости конструкции крепления котлованов и оценке несущей способности анкеров.
Цель работы. Научно-техническое обоснование надежности системы крепления котлованов, включающей инъекционные грунтовые анкеры, с разработкой рекомендаций по повышению ее технико-экономической эффективности при строительстве транспортных тоннелей в условиях города Москвы.
В состав задач исследований по достижению поставленной цели входят: 1.Обзор и анализ теоретических подходов к оценке нагрузки на анкер от призмы обрушения грунтов.
2.Теоретическое исследование устойчивости крепления котлованов с разработкой методики ее расчета с учетом взаимодействия инъекционных анкеров с грунтовым массивом.
3.Сравнительная проверка методов расчета несущей способности анкерного крепления с выбором из них наиболее обоснованного.
4.Изучение посредством имитационного моделирования влияния основных конструктивных, технологических и инженерно-геологических факторов на прочность и устойчивость системы «ограждение - анкер - грунт».
5.Анализ критериев контроля качества крепления котлованов, включающего инъекционные грунтовые анкера, с разработкой методики определения его параметров на основе вероятностной оценки коэффициентов надежности.
6.Проведение натурных исследований по устройству анкерного крепления на объектах третьего транспортного кольца в г. Москве, в том числе, смещений ограждений котлованов с анкерами.
7.Статистическая обработка и анализ натурных данных по усилиям напряжения анкеров при их испытаниях, значениям их свободной длины и остаточным перемещениям на базе вероятностно-статистической оценки с определением показателей надежности. 8.Разработка рекомендаций по рациональному устройству инъекционных грунтовых анкеров, обеспечивающих требуемое качество и надежность при проектировании и эксплуатации ограждений стен котлованов, с определением полученного и ожидаемого технико-экономического эффекта.
Объектом исследования.
Основными методами исследования являются:
-применение теоретического аппарата с аналитическими методиками расчета, сравнения, выбора и обоснования результатов исследований;
-математическое (имитационное) моделирование системы «ограждение -анкер - грунт» и ее элементов на основе выбранных и разработанных аналитических методик, в том числе факторно-оптимизационного анализа;
-натурные исследования и испытания на производственных объектах с использованием реальных конструкций анкеров и технологий их устройства;
-вероятностный подход к оценке параметров и показателей-как системы «ограждение - анкер - грунт», так и ее составляющих элементов;
-применение методов математической статистики для обработки результатов натурных измерений и формулирования выводов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-разработана методика расчета устойчивости котлована с учетом несущей способности инъекционных анкеров;
-разработана методика определения вероятностных критериев оценки коэффициентов запаса устойчивости ограждения котлованов и параметров анкерного крепления;
-установлено на основе имитационного моделирования влияние основных конструктивно-технологических и геометрических факторов на несущую способность (расчетную прочность) инъекционных анкеров;
-проведен статистический анализ результатов выполненных с участием автора натурных исследований и испытаний более 700 анкеров длиной 10-16м, обеспечивающих выбор рациональных конструктивно-технологических реше 9 ний по инъекционному анкерному креплению котлованов.
Практическая ценность данной работы заключается в том, что результаты исследований с технико-экономическим эффектом могут быть использованы при сооружении котлованов с анкерным креплением на строительстве транспортных объектов в условиях г. Москвы и являются обоснованием для расширения области применения анкеров с рекомендуемыми параметрами для проектирования (с учетом уменьшения длины анкеров, изменения коэффициента надежности и уточнения расчетов на устойчивость).
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных форумах:
1. Симпозиумах секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, 1998-2002 гг.
2. Научно-практической конференции «Скоростные магистрали в мегаполисах», Москва, 1999 г.
Публикации: По результатам исследований опубликованы 5 печатных работ.
Структура и объем: Диссертация состоит из общей характеристики, 5 глав, выводов и предложений, списка литературы из 117 наименований. Общий объем работы составляет 272 стр., включая 26 таблиц, 91 рисунок и 5 приложений на 52 стр.
Классификация конструктивно-технологических решений грунтовых анкеров
Задачи освоения технологии устройства инъекционных анкеров и перспективы их широкого применения в гражданском и транспортном строительстве вызвали к жизни постановку и проведения научных исследований по данному способу работ. В число крупных исследователей и специалистов, внесших большой вклад в развитие анкерного крепления, входят: Агамирзян Л.С., Бобровский Я.М., Будин А.Я., Бухов В.Н., Ванзин Е.А., Вишневский П.Ф., Воробьев Н.В., Гадаев Н.Р., Гальперн М.Л., Горбунов-Посадов М.И., Гроссман И.И., Дижоев Л.Н., Емельянов Л.М., Зерцалов М.Г., Кананян А.С., Козлов СМ., Кольцов Е.М., Колыбин И.В., Лыткин В.А., Малоян Э.А., Малый И.М., Мариупольский Л.Г., Маршев В.З., Мельников Н.И., Перлей Е.М., Плохих В.А, Раюк В.Ф., Репников Л.Н., Сорочан Е.А., Скормин А.А., Смолин Б.С, Смородинов М.И., Соболевский Ю.А., Софронов В.В., Соловьев Ю.М., Старчевская Л.Л., Тернавский СВ., Трофименков Ю.Г., Ухов СБ., Федоров Б.С, Фотиева Н.Н., Ханьжов Б.Д., Широков А.А., Balla A., Barraud L, Evangelista A., Fujita К., Moller P., Mori H., Muga B.I., Ostermayer H., Ranke A., Szechy, Yizkman К. и др.
Серьезные научные исследования были проведены в НИИОСПе, Фунда-ментпроекте, ВНИИГ им. Б. Г. Веденеева, ВНИИГС Минмонтрансспецстроя, Гидроспецпроекте, ЦНИИСе. Ведущий в области транспортного строительства научно-исследовательский институт ЦНИИС выполнил (под руководством И.М. Малого, Э.А. Малояна и др.) большой объем научных работ по анкерным креплениям, мониторингу сооружения котлованов с анкерами, создал целый ряд нормативных документов, методических указаний и разработал компьютерную программу «Крепь» оптимального расчета анкерной крепи [28]. Все это создало базу для успешного проектирования и внедрения анкерного крепления в транспортном и других областях строительства.
Кроме хорошо известной технологии устройства анкерного крепления ф.«Bauer» в последние годы появился ряд конкурирующих технологий, имеющих свои особенности и принятые на вооружение некоторыми специализированными фирмами. Все они нашли успешное применение на объектах транспортного строительства в условиях г. Москвы. К таким специализированным производственным организациям относятся фирмы «Рита», «ВИЗБАС», «Эл-гад», «Геотехника». При выполнении работ по устройству анкерного крепления этими фирмами НИЦ ТМ ЦНИИС (с участие автора диссертации) осуществлял мониторинг, отработку технологий, проведение испытаний и контроля. Bi этой связи ниже приводится описание особенностей примененных конструкций анкеров, технологии работ и использованного оборудования.
Фирма «Рита» использует метод формирования корня анкера разрядоим-пульсной технологией, в связи, с чем в комплект оборудования включена электроимпульсная установка. В прилагаемой литературе [31, 39, 48, 56, 58] описывается суть электроразрядной технологии (ЭРТ), которая заключается в том, что скважина, заполненная мелкозернистым бетоном или цементным раствором, обрабатывается серией высоковольтных электрических разрядов. При этом возникает электрогидравлический эффект Юткина, в результате которого формуется корень анкера, и одновременно цементируется и уплотняется окружающий грунт. Первоначальный диаметр скважины 130 300 мм в результате обработки серией разрядов может быть увеличен, в зависимости от энергии, подаваемой в скважину и гидрогеологических условий площадки, более чем в 2 раза. Окружающие грунты уплотняются, пористость в зоне воздействия ударного импульса снижается. Динамическое воздействие, возникающее в процессе формования, за пределами зоны обработки незначительно и в процессе производства работ периодически контролируется, энергия разряда при обработке скважины легко регулируется, в результате чего работа с применением электроразрядной технологии не оказывает вредного воздействия на устраиваемые конструкции и рядом стоящие здания. Электроразрядная технология экологически безвредна. Данная технология позволяет формовать сваи и анкера различной конфигурации, с уширением в одном или нескольких уровнях. В статье автора диссертации [31] приводиться подробное описание технологии устройства анкеров ф. «Рита», применявшаяся при строительстве Третьего транспортного кольца в г. Москве. Данный технологический процесс включает в себя следующие операции (рис. 1.3): бурение скважины станком «Касагранде» с использованием бурильных труб 0 108 мм, долота 0150 мм и с промывкой раствором бентонитовой глины; нагнетание цементного раствора из портландцемента через колонну бурильных труб в забой скважины; последующее извлечение бурильных труб; формирование корня анкера по технологии НИИОСП путем обработки корня анкера серией высоковольтных разрядов (энергия разряда 40 кДж), создавая расчетное количество импульсов давления величиной до 10 МПа, с одновременным доливом цементного раствора по мере его ухода; опускание в скважину анкера в сборе; выдержка до набора прочности; испытание на несущую и деформационную способность; закрепление на конструкции.
При строительстве Третьего транспортного кольца применялась также технология устройства анкеров ОАО «ВИЗБАС», которая включала следующие операции [31, 39, 48, 56, 58]: бурение скважины буровым станком «Bauer» со шнеком 0120 мм; установка анкера в сборе в скважину; заполнение скважины цементным раствором (первичное нагнетание) с выстойкой в течение 1 суток; вторичное нагнетание в скважину цементного раствора через инъекционную трубку с опрессовкой под давлением 2,0 МПа; выстойка до набора прочности цемента (7 суток); натяжение анкера, приемочные испытания и блокировка на ограждении под нагрузкой 0,8-Ар, где Ар - расчетное усилие в анкере.
Фирма «ВИЗБАС» на объекте корпорации «Трансстрой» на участке пересечения третьего транспортного кольца с Ленинским проспектом (пл. Гагарина) в отличие от традиционных способов бурения, где разрушенная порода выносится на поверхность, использовала специальный механизм - раскатчик, который при проходке в сжимаемых грунтах вдавливает его в стенки скважины, существенно их уплотняя [31, 47]. В материалах, предоставленных ОАО «ВИЗБАС»,
Исторический обзор развития методов расчета устойчивости подпорных стенок и крепления котлованов
Ключевую (базовую) роль играет несущая способность заделки, так как именно через этот элемент прикрепляется ограждение котлована к грунтовому массиву. Несущая способность других частей (тяги, соединения с ограждением) имеют подчиненное значение, и, очевидно, должна быть не ниже несущей способности заделки. Таким образом, за несущую способность анкера следует принимать несущую способность заделки анкера. Необходимо подчеркнуть, что этот параметр является важнейшим в системе «ограждение - анкер -грунт», как обусловливающий ее работоспособность, то есть безотказное функционирование в течение заданного срока.
Несущая способность заделки анкера по своей природе зависит от многих физико-механических свойств грунта и строения грунтового массива, которые отличаются переменчивым, случайным характером и могут изменяться в известных пределах. Соответственно и несущая способность является случайной величиной. В связи с этим следует различать нормативную несущую способность и расчетную. Последняя принимается в расчетах как величина, гарантирующая с назначенной надежностью запас прочности против потери несущей способности.
Зная расчетную несущую способность заделки, нетрудно рассчитать несущую способность тяги анкера и крепления его к ограждению. Следует подчеркнуть, что ввиду роста в транспортном строительстве объемов работ по устройству ограждающих конструкций интенсивно продолжается совершенствование внедренных и разработка новых конструктивно-технологических решений, касающихся грунтовых анкеров, как эффективного средства крепления котлованов и различных элементов инженерных сооружений. Обзор, обобщение и анализ проблемы устройства анкерного крепления при ограждении вертикальных стен котлованов показывает высокую эффективность этого инженерного решения. Вместе с тем, остается ряд неясных вопросов, касающихся установления надежности анкерной крепи и устойчивости ограждения котлована. В этой связи в диссертационной работе ставится следующая цель - научно-техническое обоснование надежности системы крепления котлованов, включающих инъекционные грунтовые анкера, с разработкой рекомендаций по повышению ее технико-экономической эффективности для строительной отрасли в условиях города Москвы. В состав задач исследований по достижению поставленной цели входят: 1.Обзор и анализ теоретических подходов к оценке нагрузки на анкер от призмы обрушения грунтов. 2.Теоретическое исследование устойчивости крепления котлованов с разработкой методики ее расчета с учетом взаимодействия инъекционных анкеров с грунтовым массивом. 3.Сравнительная проверка методов расчета несущей способности анкерного крепления с выбором из них наиболее обоснованного. 4.Изучение посредством имитационного моделирования влияния основных конструктивных, технологических и инженерно-геологических факторов на прочность и устойчивость системы «ограждение - анкер - грунт». 5.Анализ критериев контроля качества крепления котлованов, включающего инъекционные грунтовые анкеры, с разработкой методики определения их параметров на основе вероятностной оценки коэффициентов надежности. 6.Проведение натурных исследований по устройству анкерного крепления на объектах третьего транспортного кольца в г. Москве, в том числе, смещений ограждений котлованов с анкерами. 7.Статистическая обработка и анализ натурных данных по усилиям напряжения анкеров при их испытаниях, значениям их свободной длины и остаточным перемещениям на базе вероятностно-статистической оценки с определением показателей надежности. 8.Разработка рекомендаций по рациональному устройству инъекционных грунтовых анкеров, обеспечивающих требуемое качество и надежность при проектировании и эксплуатации ограждений стен котлованов, с определением полученного и ожидаемого технико-экономического эффекта. Для решения поставленных задач предусматривается: -применение теоретического аппарата с аналитическими методиками расчета, сравнения, выбора и обоснования результатов исследований; -математическое (имитационное) моделирование системы «ограждение -анкер - грунт» и ее элементов на основе выбранных и разработанных аналитических методик, в том числе факторно-оптимизационного анализа, с помощью известных компьютерных программ; -натурные исследования и испытания на производственных объектах с использованием реальных конструкций анкеров и технологий их устройства; -вероятностный подход к оценке параметров и показателей как системы «ограждение - анкер - грунт», так и ее составляющих элементов; -применение методов математической статистики для обработки результатов натурных измерений и формулирования выводов. l.Ha основе обзора и обобщения отечественного и зарубежного опыта применения анкеров и с учетом потребностей строительного производства показана актуальность проблемы широкого внедрения анкерного крепления ограждений котлованов при транспортном строительстве в г. Москве. 2.Рассмотрена и дополнена классификация грунтовых анкеров на основе конструктивно-технологических признаков. 3.Обоснована эффективность буро-инъекционных грунтовых анкеров. Рассмотрены новейшие технологии устройства анкеров электроразрядным методом и методом раскатки. 4.Указаны физическо-технические условия обеспечения несущей способности инъекционных анкеров. 5.Установлены основные задачи и методы исследований.
Исследование влияния внутренних и внешних факторов на систему «ограждение - анкер - грунт» с использованием методики имитационного моделирования
В соответствии с принятыми в России порядком и организацией строительного дела (в каждом из его отраслей) установлены единые требования к проектированию и строительству объектов различного назначения. Эти требования сведены в Строительные нормы и правила (СНиП).
Они, как известно, распространяются на постоянные здания и сооружения и призваны обеспечить их высокое качество, надежность, долговечность и экономичность. В то же время возведение строительных объектов связано часто с заглублением в грунт и, следовательно, с устройством открытых временных котлованов и креплением стен.
Учитывая высокую ответственность задачи безаварийного использования временных котлованов в черте города, целесообразно по нашему мнению при их проектировании использовать положения на действующих СНиПах [80, 81, 85,86,87,88].
Кроме того, по ряду вопросов необходимо применять соответствующие ГОСТы и ОСТы (в том числе: [21, 22, 23, 24]). Специальные требования по проектированию котлованов и их ограждений указываются техническими условиями и руководствами [75, 76, 77, 80, 86, 87, 89, 92, 96, 97].
Согласно указанным СНиПам обоснованием той или иной конструкции (типа, размеров, материалов и т.д.) является расчет. Для всех видов сооружений и строительных конструкций принят единый принцип расчета по предельным состояниям двух групп: по несущей способности; по деформациям.
Для подпорных стен, шпунтовых ограждений (в том числе с анкерами), 1-я группа предельных состояний (по непригодности к эксплуатации) включает расчеты общей прочности и устойчивости на сдвиг, опрокидывание, поворот вокруг некоторой оси вращения, а также расчеты прочности и/или устойчивости отдельных элементов сооружений. Эти расчеты являются обязательными.
Во 2-ю группу предельных состояний (по непригодности к нормальной эксплуатации) входят расчеты перемещений, деформаций, трещинообразования и пр. Данные расчеты выполняются в каждом конкретном случае в зависимости от степени опасности тех или иных состояний. Основным свойством, определяющем надежность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом, является безотказность их работы -способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы. Временная конструкция крепления котлована используется только в период строительства транспортных объектов и срок ее службы, как правило, составляет не более 2 лет. Однако как показывает практика возведения сооружений открытым способом в котлованах, в ряде случаев при строительстве и эксплуатации происходили аварии. Чаще всего аварии случаются в форме обрушения крепления под действием активного бокового давления грунта. Так, в 1984 г. при сооружении раструбной части тоннелей у станции «Московская» метрополитена в г. Нижнем Новгороде произошло обрушение стены котлована, повлекшее человеческие жертвы [11] .Аналогичная авария имела место на строительстве метрополитена в г. Екатеринбурге [11]. Причина - обводнение грунтов с уменьшением их удельного сцепления, отступления от проекта конструкции крепления. В 2002 г. случилось обрушение крепления котлована на строительстве станции метро «Площадь Тукая» в г. Казани. За рубежом также неоднократно отмечались случаи разрушения крепления и аварийные обрушения стен котлованов [11]. Основные причины аварий шпунтовых стенок по мнению Э.В. Костерина [36] - «недостаточная прочность распорок или анкерных устройств», которые проявляются либо при изменении природных свойств грунтов и внешних условий (обводнение массива и т.п.), либо при ошибках проектирования или некачественном исполнении крепления. Таким образом, главная опасность нарушения эксплуатации котлованов с вертикальным ограждением в виде свай с затяжкой, шпунтовых стенок, «стены в грунте» в сочетании с расстрелами или анкерами является разрушение крепления и обрушение прилегающей части грунтового массива. Этот вид выхода из строя ограждения котлована относится к 1-ой группе предельных состояний - потере устойчивости крепления. Основная задача расчета при проектировании котлована заключается в оценке устойчивости ограждения на действующие нагрузки. Более корректно задачу можно сформулировать следующим образом: требуется рассчитать устойчивость системы «ограждение - анкер - грунт». К системе приложены внешние силы: распределенные объемные силы у собственного веса грунта (с равнодействующей G), распределенная постоянная или временная нагрузка q на поверхности земли, усилие натяжения анкера А, возможное гидростатическое (или фильтрационное) давление, собственный вес крепления котлована (при его значимом влиянии). Предельное состояние 1-ой группы данной системы может быть квалифицировано, как разрушение крепления котлована (ограждающей конструкции и анкеров) с обрушением прилегающей части грунтового массива. Как указано в ГОСТе 27751-88 [20] условия обеспечения надежности (прочности и устойчивости) заключаются в том, чтобы расчетные значения нагрузок или ими вызванных усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытии трещин не превышали соответствующих им предельных значений, устанавливаемых нормами проектирования конструкций. При проектировании ограждающей конструкции вводятся в расчет коэффициенты надежности: по материалу, по грунту, по нагрузке, а также коэффициент условия работы, коэффициент надежности по ответственности, которые назначаются в соответствии со СНиПами и нормами проектирования -ограждающая конструкция: должна обладать необходимой прочностью, жесткостью, водонепроницаемостью (по назначению), иметь соответствующее заглубление в грунт; - анкер: должен иметь необходимую несущую способность по заделке в грунтовом массиве (рабочей зоны); прочность и жесткость тяги; начальное натяжение. -грунт: должна быть, по крайней мере, сохранена природная прочность (сопротивление сдвигу) в виде внутреннего трения и сцепления, и не нарушена структура (плотность, влажность, обводненность и т.д.). Каждый из указанных факторов ответственен в той или иной степени за потерю устойчивости системы, и их прочностной расчет так же относится к 1-ой группе предельных состояний. С экономической точки зрения основные элементы крепления котлована должны характеризоваться равнопрочностью, но с учетом как удельного их веса в общей прочности, так и диапазонов изменчивости собственной прочности. 3.1.6. Прочность и устойчивость анкерного крепления обеспечивается прочной связью анкеров с грунтом. Эта связь оценивается при выполнении требований: соответствия несущей способности анкеров, полученной в результате испытаний, проектной.
Результаты испытаний анкеров различных конструкций и способов их устройства
Согласно общепринятой в отечественной практике проектирования расчет заанкеренной стенки осуществляется методом упругой линии по схеме Блюма-Ломейера в предположении, что заглубленный в грунт нижний участок стенки полностью защемлен. в грунте. Диаграмма усилий, действующих на стенку, строиться на основании упрощающих допущений [105]: пассивное давление со стороны грунтового массива заменяется сосредоточенной силой Ер приложенной в нулевой точке О, стенки, в которой последняя остается несмещенной (у=0); точка О расположена на расстоянии t0 дна котлована и на 0,2 t0 от нижнего конца стенки; давление, действующее на стенку выше точки О, является предельным активным давлением со стороны грунтового массива и предельным пассивным со стороны котлована. Расчетная схема содержит три неизвестных величины: заглубление t, усилие в анкере R и силу пассивного давления Ер . Следовательно, к двум уравнениям равновесия ]ГМ(0\ = 0, ]Х = 0, необходимо присоединить дополнительное условие. Им при расчете по методу упругих линий является равенство нулю угла поворота защемленного участка, что означает вертикальность касательной к упругой линии стенки в точке О. Расчет производится методом последовательных приближений: вначале принимается некоторое значение t и определяется положение точки О; из уравнения равновесия находят R и Ер; строится эпюра изгибающих моментов выше точки О и путем двойного интегрирования находят упругую линию стенки (две постоянные интегрирования определяются из условия, что точка анкеровки и точка О являются неподвижными); рассчитывают поворот в точке О (обычно с первой попытки не равный нулю); расчет повторяют с другим значением t до тех пор, пока не получат вертикальную касательную; строят эпюры изгибающих моментов и определяют Mmax , по которому проверяют сечение стены . В ряде случаев ограждение более целесообразно рассчитывать по схеме Э.К.Якоби, т.е. по схеме свободного опирання. Методика расчета исходит из предположения, что в момент потери устойчивости стенка под действием силы активного давления грунта Еа со стороны массива будет поворачиваться вокруг точки крепления анкера. При этом смещение заделанной части стенки в сторону котлована приведет к выпору грунта и возникновению соответствующего реактивного пассивного давления Ер. Приняв точку А крепления анкера неподвижной, длину заделки t0, обеспечивающую статическое равновесие стенки, усилие в анкере R определяют из уравнений равновесия: Пассивное давление грунта Ер определяется с учетом сил трения между стенкой и грунтом . За расчетное значение заделки принимают t=( 1,15... 1,2)t0.
Как считает СБ. Ухов [105] и некоторые другие ученые, при применении предварительно напряженных анкеров рационально использовать в расчетах крепления котлованов схему Якоби, так как наиболее выгодная установка ярусов крепления позволяет компенсировать увеличение изгибающего момента и наиболее полно использовать сопротивление грунта.
Как отмечено в п.3.1., главенствующим должен быть расчет сооружения по 1-ой группе предельных состояний, т.е., в первую очередь, на общую его устойчивость. Из возможных схем потери устойчивости принимается наиболее опасная, при которой может реализоваться катастрофическое обрушение стенки котлована совместно с прилегающей частью грунтового массива, ограждающей конструкцией и анкерной крепью.
В распространенном случае однородной или слоистой толщи грунта значительной мощности сдвиг обрушающейся стенки котлована происходит по поверхности скольжения, проходящей через нижней конец заглубленного ограждения. Расчет на общую устойчивость также дает возможность получить данные по предельным усилиям, которые возникают в элементах системы «ограждение - анкер - грунт» (далее сокращенно: О-А-Г), включая ограждающую конструкцию и анкерную крепь. Принимаемая схема возможной потери устойчивости путем опрокидывания вокруг низа анкеруемого сооружения позволяет найти [105] оптимальное положение анкера в грунте, то есть угол его наклона со к горизонту, полную длину а, включающую длину свободной части анкера If и длину заделки ъ, а также усилие Fb, развивающееся в тяге анкера. Принята упрощенная расчетная схема по методу Кранца, [62, 75, 79] в основу которой положена идея «глубокой линии скольжения» [72], как показано на рис.3.4. Предварительно по известным формулам определяются активное давление Еа, расчетное усилие N в месте крепления анкера Na к стенке и заглубление стенки t.
