17 Расчеты шпунтовых ограждений
А Общие положения
17.1 Расчеты шпунтовых ограждений котлованов производят на:
ж) устойчивость положения и прочность по материалу 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;
з) устойчивость дна котлована против выпучивания и фильтрационного выпора - для шпунтовых ограждений, заглубленных в пески, супеси и песчаные илы, на стадии откачки воды из ограждения.
17.2 Проверка на выпучивание производится по формуле:
Рв ≥ Рγn, (17.1)
где Рв - предельное сопротивление грунта дна котлована силам выпучивания, кПа (тс/м2), определяемое по формуле 17.2.
Р - давление столба грунтовой массы высотой h2 и слоя воды высотой h1 на основание ab (сила выпучивания), кПа (тс/м2) согласно рисунку 17.1. и вычисляемое по формуле 17.3.
0123S10-06602
Рисунок 17.1 - Расчетная схема к проверке дна котлована на выпучивание
γn - коэффициент надежности по назначению принимаемый не менее 1,4;
Pв = kcNc + γANq + MγBNy + γвh, (17.2)
где k и М - коэффициенты, принимаемые по таблице 17.1;
с - расчетное сцепление в грунте, кН (тс/м2);
γ - удельный вес грунта, кН/м3 (тс/м3);
γв - то же воды, кН/м3 (тс/м3);
Nc, Nq, Nу - опытные коэффициенты (таблица 17.2) несущей способности грунта, находящегося в пределах шпунтового ограждения, зависящие от расчетного угла внутреннего трения грунта φ;
А - расстояние от дна котлована до нижнего края шпунта, м;
В - меньшая сторона прямоугольного, сторона квадратного или радиус круглого котлована, м;
h - слой воды над дном котлована, м
0123S10-06602
 (17.3)
где h1 и h2 - высота слоя воды и слоя грунта согласно рисунку 17.1.
Таблица 17.1
Форма котлована
|
k
|
М
|
Прямоугольная
|
0,7
|
0,5
|
Квадратная
|
0,8
|
0,5
|
Круглая
|
0,9
|
0,6
|
Таблица 17.2
φ, град.
|
Nc
|
Nq
|
Nγ
|
0
|
5,0
|
1,5
|
0
|
5
|
6,2
|
1,8
|
0
|
10
|
7,6
|
2,1
|
0
|
15
|
9,3
|
3,0
|
0,5
|
20
|
11,5
|
4,0
|
1,0
|
25
|
14,0
|
5,5
|
2,5
|
30
|
18,0
|
8,0
|
5,0
|
35
|
23,0
|
12,5
|
8,0
|
Расчетные значения величин φ и С определяют по материалам инженерно-геологических изысканий. В условиях гидродинамического воздействия (для случаев откачки воды из котлованов) значения φ следует уменьшать в два раза.
17.3 Фильтрационный выпор грунта котлована происходит только при откачке из него воды в песчаных грунтах, супесях и песчаных илах. Выпор начинается около шпунтового ограждения.
Проверку на фильтрационный выпор производят по формуле:
 (17.4)
где γn - коэффициент надежности по назначению, принимаемый не менее 1,4;
Аф - суммарная высота столба речной и грунтовой воды внутри котлована, считая от низа шпунта, м;
Н - разность высот столбов речной и грунтовой воды снаружи и внутри котлована, считая от низа шпунта, м.
Глубина погружения шпунта ниже дна котлована может также определяться зависящим от нее дебетом грунтовой воды, фильтрующей через дно котлована, методика расчета которого приведена в приложении 21.
17.4 Минимальную глубину забивки шпунта (считая от дна котлована или отметки размыва) по условию обеспечения устойчивости стенок против опрокидывания определяют согласно пункту 6.8.
 (17.5)
где Мопр - расчетный момент опрокидывающих сил относительно оси возможного поворота (опрокидывания) стенки;
Муд - расчетный момент удерживающих сил относительно той же оси;
m - коэффициент условий работы, принимаемый по пунктам 17.9 и 17.21;
γn - коэффициент надежности по назначению, принимаемый равным 1,1.
Независимо от результатов расчета по любой ниже приведенной схеме глубину забивки шпунта t, считая от дна котлована, или отметки размыва следует принимать:
- в случаях текучих и текучепластичных глин, суглинков, супесей, водонасыщенных илов, пылеватых и мелких песков - не менее 2 м;
- в остальных случаях - не менее 1 м.
В ограждениях с тампонажным слоем бетона глубина забивки должна быть не менее 1 м при любых грунтах.
17.5 Расчетные давления воды и грунта (активного и пассивного) получают умножением нормативных давлений, определяемых согласно разделу 7, на коэффициенты надежности по нагрузке, принимаемые для активного давления грунта  , а для пассивного 
17.6 При устройстве ограждения в водопроницаемых грунтах с укладкой подводной тампонажной подушки в расчете шпунтовой стенки на стадии ее работы до бетонирования подушки учитывают гидростатическое давление, соответствующее стадии откачки воды из котлована на глубину, необходимую для постановки яруса креплений, но не менее 1,5 м.
17.7 Ограждение из шпунта, забиваемого в водонепроницаемый грунт (суглинок или глину), расположенный ниже горизонта воды, следует рассчитывать на горизонтальные нагрузки, соответствующие двум схемам:
а) принимают, что ниже поверхности водонепроницаемого грунта горизонтальное давление на шпунтовую стенку обусловлено только гидростатическим давлением воды, проникающей между стенкой и грунтом на глубину hв;
б) не предусматривают возможности проникания воды между стенкой и водонепроницаемым грунтом и принимают, что этот грунт оказывает горизонтальное давление на стенку, будучи пригруженным сверху гидростатическим давлением, а при наличии над водонепроницаемым грунтом водопроницаемого и весом последнего, при этом вес слоя водопроницаемого грунта, расположенного ниже горизонта воды, определяют с учетом его взвешивания в воде.
В обеих схемах выше поверхности водонепроницаемого грунта учитывают горизонтальную нагрузку на стенку от гидростатического давления и, в необходимых случаях, от давления водопроницаемого грунта.
Глубину проникания воды между стенкой и водонепроницаемым грунтом (считая от его поверхности) принимают равной:
а) для ограждений, не имеющих распорных креплений (см. рисунок 17.2 а)
 (17.6)
где h' - глубина погружения шпунта в водонепроницаемый грунт;
б) для ограждений с одним ярусом креплений (см. рисунок 17.2 б)
 (17.7)
где t - глубина погружения шпунта ниже дна котлована;
в) для ограждения с несколькими ярусами креплений (см. рисунок 17.2 в) - на 0,5 м ниже уровня грунта в котловане при установке верхнего яруса креплений, расположенного в пределах водонепроницаемого грунта.
17.8 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 менее наибольшего изгибающего момента от равномерно распределенной нагрузки интенсивностью:
 (17.8)
где q1 - нагрузка, принимаемая равной 500 Па (50 кгс/м2) для верхнего яруса креплений и 250 Па (25 кгс/м2) для остальных ярусов;
F - площадь котлована, приходящаяся на рассчитываемый элемент крепления, м2;
l - длина элемента, м.
0123S10-06602
Рисунок 17.2 - Схемы для определения глубины проникания воды между шпунтовой стенкой и водонепроницаемым грунтом
а - при ограждениях, не имеющих распорных креплений; б - при ограждениях с одним ярусом крепления; в - при ограждениях с несколькими ярусами креплений
17.9 Расчеты элементов шпунтовых ограждений на прочность выполняются с применением коэффициентов
- надежности по назначению:
γn = 1,1 - для шпунтовых ограждений на местности, покрытой водой;
γn = 1,0 - во всех остальных случаях;
- коэффициентов условий работы, учитывающими возможность относительных смещений шпунтин в замках (для шпунта типа Шк или Ларсен):
m = 0,7 - в случае слабых грунтов и отсутствии обвязок, прикрепленных к шпунту;
m = 0,8 - в случае тех же грунтов и наличии обвязок, прикрепленных к шпунту;
m = 1,0 - в остальных случаях.
При расчете прочности шпунтовых стенок (но не креплений) должны вводиться коэффициенты условий работы, равные:
m = 1,15 - для стенок кольцевых в плане ограждений;
m = 1,10 - для стенок длиной менее 5 м замкнутых в плане ограждений прямоугольной формы с промежуточными ярусами распорных креплений.
17.10 Расчетные сопротивления элементов шпунтовых ограждений принимаются в зависимости от материала согласно указаниям разделов 9, 10 и 11.
17.11 Расчетные геометрические характеристики стальных шпунтовых свай принимаются согласно приложению 8.
Б Расчет шпунтовых ограждений, не имеющих распорных креплений.
17.12 При устройстве ограждения без тампонажной подушки минимальную глубину забивки шпунта ниже дна котлована принимают равной по формуле:
t = t0 + Δt. (17.9)
Глубину t0 определяют на основе равенства 17.5, считая ось поворота стенки, расположенной на этой глубине, и пренебрегая моментом пассивного давления грунта, действующего на стенку со стороны, противоположной котловану, относительно указанной оси (точки 0 на рисунке 17.3).
В соответствии с этим в равенстве 17.5 принимают Мопр. равным моменту активного давления грунта и гидростатического давления, действующих выше глубины t0, относительно оси поворота стенок, а Муд - моменту пассивного давления, действующего со стороны котлована выше глубины t0 относительно той же оси.
В общем случае для решения уравнения, выражающего условия (см. формулу 17.5), принимают способ последовательного приближения, т.е. задаются глубиной t0, которую затем уточняют.
Расчетная схема, принимаемая при определении глубины t0, показана на рисунке 17.3; эпюры давлений, показанные на рисунке 17.3 а), относятся к случаю расчета стенки, погруженной в песок или супесь; эпюры давлений, показанные на рисунке 17.3 б), в) - к случаю расчета стенки, погружаемой в глину или суглинок (см. пункт 17.7).
При наличии над глинистым грунтом слоя воды hв активное давление необходимо увеличивать на величину hвλа,
где 
Так как глубина t0 не является полной глубиной погружения шпунта ниже дна котлована (см. формулу 17.9), то при учете проникания воды между стенкой и суглинком или глиной рекомендуется принимать глубину по рисунку 17.3 в).
 (17.10)
Дополнительную глубину Δt определяют по формуле:
 (17.11)
где  - равнодействующая пассивного давления грунта с внешней стороны котлована;
 - интенсивность этого давления на глубине t0.
Равнодействующую пассивного давления грунта с внешней стороны котлована определяют по формуле:
Е1п = Еп - (Еа + Ев), (17.12)
где Еп, Еа, Ев - равнодействующие соответственно пассивного давления грунта со стороны котлована, активного давления грунта и гидростатического давления, действующих на стенку выше глубины t0.
Интенсивность пассивного давления грунта, действующего на стенку с внешней стороны котлована, определяют, принимая глубину:
H = hrp + t0. (17.13)
17.13 Изгибающие моменты, действующие в поперечных сечениях шпунтовой стенки, определяют как для консольного стержня с заделкой на глубине t0 (от дна котлована); за нагрузку принимают гидростатическое давление, а также активное и пассивное давление, действующее на стенку выше этой глубины (см. рисунок 17.3).
17.14 При устройстве ограждения в водопроницаемых грунтах с осуществлением тампонажной подушки расчет шпунтовой стенки, отражающей стадию ее работы до бетонирования подушки, выполняют согласно пунктам 17.12 и 17.13, а расчет шпунтовой стенки, отражающий стадию ее работы после бетонирования подушки, выполняют согласно пункту 17.15.
0123S10-06602
Рисунок 17.3 - Схемы, используемые в расчетах шпунтовых ограждений, не имеющих распорных креплений.
а) - при расчете стенки, погружаемой в песок или супесь; б) и в) - при расчете стенки, погружаемой в суглинок или глину.
17.15 Глубину t0 погружения стенки ниже дна котлована определяют из условия обеспечения её устойчивости против поворота вокруг оси, расположенной на 0,5 м ниже верха тампонажной подушки (точка 0 на рисунке 17.4).
В соответствии с этим в равенстве (формула 17.5) принимают Мопр. равным моменту активного давления взвешенного в воде грунта и гидростатического давления, действующих на стенку выше оси ее поворота, относительно этой оси, а Муд. - моменту пассивного давления взвешенного в воде грунта, действующего на стенку ниже оси ее поворота, относительно этой оси.
m = 0,95 - коэффициент условий работы.
При определении момента Муд. эпюру пассивного давления грунта считают треугольной с нулевой ординатой на уровне оси поворота стенки; наибольшую ее ординату находят, принимая Н = hrp + t.
Величина наибольшего изгибающего момента в поперечном сечении стенки может быть принята равной моменту Мопр.
0123S10-06602
Рисунок 17.4 - Схема, используемая в расчетах шпунтовых ограждений, не имеющих распорных креплений в водонепроницаемых грунтах с применением водозащитной подушки.
В Расчет шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений
17.16 Минимальную глубину t погружения стенки ниже дна котлована (без тампонажной подушки) определяют из условия обеспечения ее устойчивости против поворота вокруг оси опирания стенки на крепление (точки 0 на рисунке 17.5). В соответствии с этим в равенстве (формула 17.5) принимают Мопр. равным моменту активного давления грунта и гидростатического давления относительно оси поворота стенки, а Муд. - моменту пассивного давления грунта относительно этой оси.
m - коэффициент условий работы, принимаемый согласно пункту 7.17.
Для замкнутых в плане шпунтовых ограждений глубину забивки t, определенную расчетом на устойчивость, допускается уменьшать на 15 % для кольцевых ограждений с радиусом менее 5 м и на 10 % для прямоугольных с длиной большей стороны менее 5 м.
17.17 Коэффициент m условий работы (см. пункт 17.16) в расчете устойчивости принимают:
а) в случае связных грунтов, а также несвязных, но при заглублении острия шпунта в слой глины или суглинка - 0,95;
б) в остальных случаях несвязных грунтов:
- при частичной откачке воды из котлована на глубину (от горизонта воды) не более 0,25h на водотоках и не более 0,25 h'в на местности, не покрытой водой - 0,95;
- при полной откачке воды из котлована - по графику (рисунок 17.6) на открытых водотоках и по графику (рисунок 17.7) на местности, не покрытой водой.
Здесь, а также на графиках рисунков 17.6 и 17.7:
h - глубина котлована;
h'в - расстояние от дна котлована до горизонта грунтовых вод;
hrp - расстояние от дна котлована до уровня грунта снаружи котлована:
  (17.14)
где φ - угол внутреннего трения грунта.
При промежуточных значениях h, h'в, µв, µгр, величину коэффициента m следует определять линейной интерполяцией.
0123S10-06602
Рисунок 17.5 - Схемы расчета шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений
а) для определения минимальной глубины забивки шпунта; б) для определения изгибающих моментов в его поперечных сечениях (на рисунке 17.5 показаны схемы, относящиеся к случаю расчета стенки, погруженной в песок или супесь).
17.18 Изгибающие моменты, действующие в поперечных сечениях шпунтовой стенки, определяют по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах, одну из которых принимают на уровне оси опирания стенок на крепление (точки 0 на рисунке 17.5.), а другую на глубине  - от дна котлована, где t - минимальная глубина погружения стенки по условию обеспечения ее устойчивости (см. пункт 17.16). При этом активное и пассивное давления грунта, а также гидростатическое давление, действующие на стенку ниже глубины - не учитывают (см. рисунок 17.5, б).
Изгибающий момент в сечении шпунтовой стенки, расположенном в пролете, допускается принимать равным
М = Мв + 0,75Мгр, (17.15)
где Мв - изгибающий момент в поперечном сечении шпунта от гидростатического давления воды, определенный по указанной выше схеме;
Мгр - то же от давления грунта;
0,75 - коэффициент, учитывающий перераспределение давления грунта.
В случаях недостаточной прочности шпунтовой стенки по материалу целесообразно изменить положение распорки по высоте или увеличить глубину погружения шпунта в грунт с тем, чтобы за счет обеспечения заделки нижней части стенки снизить величины изгибающих моментов в ее поперечных сечениях. Расчет стенки с учетом заделки ее нижней части в грунте может быть выполнен графоаналитическим способом.
По схеме, приведенной на рис. 17.5, б), определяют также давление q стенки на обвязку крепления (как реакцию на верхней опоре). Усилие в распорке допускается принимать равным:
 (17.16)
где lл, lпр - пролеты обвязки слева и справа от рассматриваемой распорки.
0123S10-06602
Рисунок 17.6 - Схема и график для определения коэффициента условий работы в расчете устойчивости шпунтового ограждения на открытом водотоке при одном ярусе распорных креплений
17.19 При устройстве ограждения с тампонажной подушкой расчет шпунтовой стенки, отражающий стадию ее работы до бетонирования подушки, выполняют согласно пунктам 17.16 ÷ 17.18.
Для стадии работы стенки после бетонирования подушки и полной откачки воды из котлована проверяют прочность стенки и крепления; при этом стенку по-прежнему рассматривают по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах, но нижнюю опору принимают на 0,5 м ниже верха подушки.
0123S10-06602
Рисунок 17.7 - Схема и график для определения коэффициента условий работы в расчете устойчивости шпунтового ограждения на местности, не покрытой водой
Г Расчет шпунтовых ограждений с двумя и более ярусами распорных креплений
17.20 Минимальную глубину t погружения стенки ниже дна котлована при отсутствии тампонажной подушки определяют из условия обеспечения ее устойчивости против поворота вокруг оси, расположенной на уровне нижнего яруса крепления (точки 0 на рисунке 17.8, а). В соответствии с этим равенство (17.5) записывают в виде:
Ма + Мв = m[Мп + (2М'а + М'в)], (17.17)
где Ма и Мв - моменты соответственно активного давления грунта и гидростатического давления, действующих на стенку ниже оси ее поворота, относительно этой оси;
М'а и М'в - то же для давлений, действующих на стенку выше оси поворота;
Мп - момент пассивного давления грунта на стенку относительно той же оси;
m - коэффициент условий работы, принимаемый согласно пункту 17.21.
Формула (17.17) справедлива, если 2М'а + Мв ≤ WxR, при невыполнении этого неравенства для определения минимальной глубины t погружения стенки используют формулу:
Ма + Мв = m(Мп + WxR), (17.18)
где Wx - момент сопротивления поперечного сечения шпунтовой стенки (см. пункт 17.10);
R - расчетное сопротивление материала шпунта. При многоярусном креплении определение давлений на ярусы креплений необходимо проводить с учетом по стадийной разработки грунта, порядка установки креплений и перераспределения при этом нагрузки на ярусы креплений и напряжений в шпунте.
17.21 Коэффициент условий работы m (см. пункт 17.20) следует принимать по рекомендациям пункта 17.17 (как для ограждения с одним ярусом креплений) с той лишь разницей, что при полной откачке воды из котлована, разрабатываемого в несвязных грунтах на открытых водотоках, значение m следует принимать не по графику, приведенному на рисунке 17.6, а по графику рисунка 17.9, на котором использованы те же обозначения.
Для замкнутых в плане шпунтовых ограждений глубину забивки t, определенную расчетом на устойчивость, допускается уменьшать согласно пункту 17.16.
Уменьшения глубины забивки шпунта по условию обеспечения устойчивости стенки можно достичь понижением уровня расположения нижнего яруса крепления (если это возможно по условиям производства работ).
0123S10-06602
Рисунок 17.8 - Схемы расчета шпунтовых ограждений с двумя и более ярусами распорных креплений.
а - для определения минимальной глубины забивки шпунта; б - для определения изгибающих моментов в его поперечных сечениях.
0123S10-06602
Рисунок 17.9 - График для определения коэффициента условий работы в расчете устойчивости шпунтового ограждения на открытом водотоке при двух и более ярусах креплений
17.22 Изгибающие моменты, действующие в поперечных сечениях шпунтовой стенки, а также давление q стенки на обвязку каждого из ярусов крепления определяют по схеме свободно лежащей многопролетной неразрезной балки, нижнюю опору которой принимают расположенной на глубине 0,5t;
где t - минимальная глубина погружения стенки, определяемая с учетом требований пунктам 17.1 и 17.2 и 17.20, а остальные опоры - на уровне ярусов креплений. При этом активное и пассивное давления грунта, а также гидростатическое давление, действующее на стенку ниже глубины 0,5t, не учитывают (см. рисунок 17.8 б).
Усилие в распорке каждого из ярусов допускается определять по формуле (17.16).
17.23 Если предусматривается укладка тампонажной подушки, то следует производить расчет прочности стенки и креплений, соответствующий полной откачке воды из котлована. Такой расчет производят, по-прежнему рассматривая стенку как многопролетную неразрезную балку, но нижнюю опору принимают расположенной на 0,5 м ниже верха тампонажной подушки.
Д Особые случаи расчета шпунта
17.24 В случае, если на шпунт дополнительно передается вертикальная нагрузка (от копров, кранов и т.п.), глубина забивки шпунтин на участке передачи вертикальной нагрузки должна быть проверена на восприятие вертикальных усилий в соответствии с нормами проектирования свай. При этом поверхность грунта принимают на отметке дна котлована, а ширину участка ограждения, передающего сосредоточенную нагрузку, определяют из условия распространения усилия в ограждении от точки (границы) приложения нагрузки под углом 30° к вертикали.
17.25 Шпунтовые ограждения, подвергающиеся воздействию льда или возможности навала судов, должны быть дополнительно проверены расчетом на эти нагрузки.
При этом, как правило, должны устраиваться дополнительные плоскости распорок на уровне приложения этих нагрузок (при разности уровней первой подвижки льда и высокого ледохода более 1,5 м - две плоскости распорок). Лед вокруг ограждения должен окалываться.
17.26 При устройстве шпунтовых ограждений (перемычек) опор на высоком свайном ростверке необходимо проверить прочность и устойчивость ограждения при действии распора изнутри (от грунта, находящегося внутри ограждения). При этом отметка поверхности окружающего грунта должна приниматься с учетом размыва. Расчет должен проводиться по методике, рекомендованной для расчета искусственных островков.
17.27 Замкнутые шпунтовые ограждения должны проверяться на всплытие при уложенной тампонажной подушке при наивысшей отметке рабочего уровня воды. При этом, определяя силу трения грунта по боковой поверхности шпунта, горизонтальное давление грунта на ограждение следует принимать с коэффициентом надежности по нагрузке γf = 0,8.
17.28 При проектировании шпунтовых ограждений вблизи существующих зданий и сооружений, конструкции которых не допускают осадки основания для установки распорок крепления должны предусматриваться устройства (клинья, домкраты) для создания предварительного обжатая, равного расчетному усилию.
|
