Общие сведения о подпорных стенах и силовых воздействиях на них

Подпорной стеной называется конструкция, удерживающая массив грунта от обрушения. Это очень распространенная конструкция в составе транспортных и промышленно-гражданских сооружений. Подпорные стены подразделяются на массивные, тонкостенные и шпунтовые. Для всех основная нагрузка создается боковым давлением грунта, но в массивных устойчивость стены обеспечивается только ее собственным весом, в тонкостенных в работу включается вес грунта на консолях опорной плиты. Устойчивость шпунтовых стен обеспечивается защемлением их в основании, чаще всего с креплением верха — анкером или распоркой (рис.1).

Рис. 1. Подпорные стены: а — массивная; б — тонкостенная; в — шпунтовая; 1- тело, 2 — фундамент, 3 — засыпка, 4 — анкерная свая, 5 — тяж, 6 — распорка

В методических указаниях рассматривается расчет массивной стены, в которой можно выделить тело и фундамент (рис. 1а). Грань стены АВ называется задней, противоположная — передней. Удерживаемой стеной грунт называется засыпкой (рис. 2); поверхность ее наклонена к горизонту под углом б. Задняя грань может иметь разный угол наклона к вертикали, что задается углом е. В расчетах углы б и е учитываются со своими знаками; на рис. 2 они положительны. Нагрузка на основание передается подошвой фундамента АС; точка С соответствует переднему ребру подошвы.

Рис. 2. Схема действия сил на стену

В зависимости от направления и величины возможного перемещения стены на нее будет действовать различное боковое давление грунта. При неподвижной стене (u =0) грунт засыпки находится в условиях компрессионного сжатия и на стену действует давление покоя Е₀ (рис. 3). При смещении стены от засыпки давление снижается до минимального — активного, или распора Е_а. При надвигании стены на засыпку давление растет до максимального — пассивного, или отпора Е_П. Достигается оно лишь при большом перемещении стены (как и показано на рис. 3), обычно недопустимом в условиях нормальной эксплуатации сооружения.

Рассмотрим условия работы стены (см. рис. 2). Под действием «навала» засыпки даже при малом смещении стенки влево сформируется некоторый объем грунта АВD (призма обрушения), смещающейся вниз по задней грани стены и плоскости обрушения АD. Соответственно на стену будет действовать сила активного давления Е_а; из-за трения грунта о стену сила отклоняется от нормали к задней грани на угол д. При этом передняя грань фундамента стены надвигается на грунт, так что на нее будет действовать сила пассивного давления (отпор), которую, однако, из-за малости смещения стены нельзя учитывать в полной мере. На рис. 2 показаны также силы G_ст и G_ф — веса соответственно тела стены и ее фундамента, легко определяемые при заданных размерах стены. Зная все силы, их направление и точки приложения, можно рассчитать напряжения по подошве фундамента стены и проверить ее устойчивость.

Рис. 3. Изменение давления грунта засыпки Е на подпорную стену в зависимости от ее перемещения U

В аналитическом расчете силы Е_а, Е_п и точки их приложения устанавливаются по эпюрам интенсивности бокового давления. Именно, боковое давление в точке на глубине z при удельном весе грунта г определяется умножением вертикального напряжения, равного гz, на коэффициент бокового давления грунта о. Особенно просто коэффициент бокового давления (активного и пассивного) определяется для вертикальной гладкой стены с горизонтальной поверхностью засыпки, когда е = д = б = 0:

где верхний знак в скобках относится к активному, нижний к пассивному давлению.

Формула для о_п в таком виде используется при определении пассивного давления на переднюю грань фундамента стены. Для определения о_а используется более сложное выражение, устанавливаемое по теории Кулона при заданных значениях е, д, б.

Боковое давление грунта можно определить также графически. В курсовой работе для контроля аналитического метода применяется построение Понселе.