Підпірна стінка

Винахід відноситься до будівництва, зокрема, до зведення підпірних стінок, що використовують для стабілізації нестійких схилів та укосів, а також на підроблюваних територіях з горизонтальним та вертикальним переміщенням ґрунту. Аналогом винаходу по своїй суті є цегляна підпірна стінка (див. книгу Справочник проектировщика сооружений В.Ш. Козлов, В. Д. Алыпиц, А.Н. Аптекман и др.; Под ред. Д.А. Коршунова - 2-е изд., перераб. и доп. К.:Будивэльнык, 1988. - с.352 ил., стор.22). Недоліком цегляної підпірної стінки є трудомісткий процес її зведення (ручна цегляна кладка), конструкція підпірної стінки недостатньо міцна і стійка до зовнішніх факторів і дії зрушуючої сили від активного тиску ґрунту, що приводить до обмежень підпірної стінки по висоті. З відомих те хнічних рішень, найбільш близьким до запропонованого винаходу, обраному як прототип, є збірна підпірна стінка уголкового типу, що включає лицьову і фундаментну плити, (див. книгу Справочник проектировщика сооружении В.Ш. Козлов, В.Д. Альшиц, А.Н. Аптекман и др.;Под ред. Д.А. Коршунова - 2-е изд., перераб. и доп. - К.:Будивэльнык, 1988. - с.352 ил., стор.20). Недоліком даної підпірної стінки є неможливість сприймати і перерозподіляти зрушуючі зусилля, що виникають у результаті роботи в умовах насування нестійких схилів і укосів, а також горизонтальних і вертикальних зсува х ґр унту при підроблені й осіданні. Ці обставини змушують робити більш масивними її плити, що приводить до підвищення матеріалоємності підпірної стінки при незначному поліпшенні її роботи в складних умовах. Задачею винаходу є удосконалення підпірної стінки шляхом оснащення лицьової плити контрфорсом, який розміщено з боку вільної поверхні, а також шляхом формування контактних поверхонь з порожнинами на контактній поверхні лицьової плити та на поверхні основи фундаментної плити, що дозволяє знизити піки контактних напруг на поверхні лицьової плити підпірної стінки за рахунок рівномірного перерозподілу тисків у ґрунті, що насувається, збільшити опір зрушенню по підошві підпірної стінки, крім того, у випадку додаткових нерівномірних деформацій підвалини, що діють на фундаментну плиту, поліпшити її роботу, що дозволяє підпірній стінці сприймати і рівномірно перерозподіляти зусилля від складних навантажень. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що підпірна стінка включає лицьову і фундаментну плити, причому лицьова плита має контактну і, паралельну їй, вільну поверхні. Відповідно до винаходу з боку вільної поверхні лицьової плити розміщений контрфорс, а на її контактній поверхні та на поверхні основи фундаментної плити розміщаються опорні частини і порожнини, які чергуються, при цьому останні виконані у вигляді зрізаних пірамід однакового розміру і спрямовані меншою основою усередину лицьової і фундаментної плит, при цьому об'єм порожнин визначається по формулі: 2 ×wф ×N × H × (K × (d + h ) - h) V= n × R × (H - d - h ) × [1 + (cos a + f sin a] де V - об'єм порожнин; N - зовнішнє нормальне навантаження відносно обвідних поверхонь опорних частин, що діє горизонтально і вертикально; R - гранична несуча здатність ґрунту засипки, при якій встановлюється і зберігається статична рівновага підпірної стінки; H - повна глибина порожнин; h - глибина впровадження ґрунту в порожнини; d - абсолютна величина вимушеного зсуву ґр унту у розглянутій точці; S - фактична контактна площа опорних призматичних ділянок; K - коефіцієнт запасу по контактній площі, який враховує можливі зміни розрахункових силових навантажень; f - коефіцієнт тертя між ґрунтом і опорними призматичними ділянками; wф - узагальнений коефіцієнт обліку форми об'єму призматичних ділянок і їх площі проекції по обвідних поверхнях опорних частин; n - коефіцієнт переведення контактних тисків у їх проекцію на нормальну вісь до обвідної поверхні опорних частин; a - кут, утворений обвідною площиною опорних частин та дотичною площиною, що проведена до поверхні призматичних ділянок на висоті h . Для плавного сприйняття деформуючих дій від ґр унту, що зрушується, на лицьову плиту і де формуючих дій від вертикального переміщення ґрунту на фундаментну плиту, бічні грані порожнин виконані округлими. Для зниження діючих сил тертя на лицьовій плиті бічні грані порожнин покриті антифрикційним шаром . Для ущільнення ґрунту засипання і для запобігання проникнення ґрунту в порожнини, на контурних поверхнях опорних частин розміщений лист пружнопідатливого матеріалу. Для зниження витрат бетону, при незначних зрушеннях ґр унту на підроблюваних територіях III, IV тип у, замість контрфорсу у вигляді діафрагми використовують контрфорс у вигляді підкосу, для установки лицьової плити з контрфорсом у вигляді діафрагми фундаментна плита має паз. Заявлений винахід ілюструється кресленнями, де на фіг.1 зображена підпірна стінка з контрфорсом у вигляді діафрагми ; на фіг.2 - вид А фіг. 1; на фіг. 3 - фрагмент Б фіг.1; на.фіг.4 - перетин А-А фіг. 3; на фіг.5 - фрагмент В фіг.1; на фіг.6 - перетин Б-Б фіг.5; на фіг.7 - фрагмент Г фіг.1; на фіг.8 -підпірна стінка з контрфорсом у вигляді підкосу. Запропонована підпірна стінка складається з лицьової плити 1, що має порожнини 2 і опорні частини 3, на її контактній поверхні, а також контрфорс 4 на її вільній поверхні, і фундаментної плити 5, що має на поверхні основи порожнини 2 і опорні частини 3. Грунт засипання 6 і грунт підвалини 7 спрямований у порожнини 2, що мають форму зрізаних пірамід з основами 8 і бічними гранями 9. Бічні грані 9 і порожнини 2 утворюють фактичні бічні поверхні опорних частин 3. Грані 9 утворюють ребра 10 у площині основ 8, що складають обвідну поверхню опорних частин 3. На вертикальних обвідних поверхнях опорних частин 3, між ґрунтом 6, 7 і порожнинами 2, у залежності від типу ґрунто вих умов і характеру деформацій, може бути розміщений лист пружнопідатливого матеріалу 11. Грунт 6 і грунт 7, спрямовані в порожнини 2, контактують з бічними поверхнями опорних частин 3 опорними призматичними ділянками 12 бічних граней 9 порожнин 2. На поверхні опорних частин 3 може бути виконаний антифрикційний шар 13, що розміщується на поверхні підпірної стінки. Заявлений винахід реалізується таким чином. З розвитком деформуючого навантаження, тобто з вертикальним і горизонтальним переміщенням ґрунту щодо підпірної стінки, після її установки, відбувається проникнення ґрунтів 6, 7 у порожнини 2. Відносно, вертикально побудованих, обвідних площин опорних частин 3 вертикального і фундаментного елементів підпірної стінки, діючі навантаження в звичайних інженерногеологічних умовах являють собою активний бічний тиск ґрунту 6 зворотної засипки і тиск від власної ваги підпірної стінки. При цьому підпірна стінка знаходиться в стійкому рівноважному положенні, а площини опорних призматичних ділянок 12 пропорційні по глибині величинам ординат бічного тиску і вазі підпірної стінки, з розрахунком досягнення на контакті таких граничних опорів ґрунтів 6, 7, при яких витримується її статично урівноважене положення. В умовах виявлення дій змушених горизонтальних і вертикальних зсувів ґрунту, звичайні навантаження по фронту переміщення ґрунту 6, 7 трансформуються в лобовий пасивний тиск, а по напрямку переміщення викликають бічне тертя, причому у всі х випадках прикладаються до окремих опорних частин 3 під кутом і по величині значно більше звичайного активного тиску ґрунтів 6, 7. При цьому збільшення контактного тиску на опорних призматичних ділянках 12 вище граничних значень у ста тиці неможливо і також приводить до того, що ґрунти 6, 7 які насуваються на контакті, пластично руйнуються і вільно переміщуються в порожнини 2, доти, поки виявляються деформаційні впливи. Форма порожнин 2 (усічена піраміда) обумовлена тим, що є найбільш ефективною для ущільнення ґрунтів 6, 7. Ґрунти 6, 7 , потрапляючи в порожнину в районі нижньої основи піраміди і проходячи шлях до її верхньої основи, мимовільно ущільнюються. Після цього контактний тиск знижується до початкового рівня, тобто фактична зовнішня поверхня підпірної стінки обумовила роботу конструкції з постійним опором зрушуючим зусиллям нестійких схилів і укосів, що насуваються, а також на підроблюваних територіях з горизонтальним і вертикальним переміщенням ґрунту. З огляду на характер роботи підпірної стінки, необхідне посилення її конструкції по параметру сумарного горизонтального навантаження, що виникає на поверхні лицьової і фундаментної плит підпірної стінки від зсуву ґрунту. Даний параметр впливає на коефіцієнт запасу по контактній площі, що враховує можливі зміни розрахункових силови х навантажень, і визначається по формулі, що отримана виходячи з проведених дослідів і обробки експериментальних даних: é sin a ö ù æ 1 + ç cos a + ÷ú ê f ×R × S ê f øú è T= 1+ m × ú 2 ê 4 ê ú ë û де T - сумарне горизонтальне навантаження, що виникає на поверхні лицьової і фундаментної плит підпірної стінки від зсуву ґр унту; R - гранична несуча здатність ґрунту, при якій встановлюється і зберігається статична рівновага підпірної стінки; S - фактична контактна площа опорних призматичних ділянок; f - коефіцієнт тертя між ґрунтом і опорними призматичними ділянками; a - кут, утворений обвідною площиною опорних частин та дотичною площиною, що проведена до поверхні призматичних ділянок на висоті h. m - коефіцієнт переведення контактних тисків у їхню проекцію на вісь, що рівнобіжна до обвідної поверхні опорних частин. У свою чергу гранична несуча здатність ґрунту, при якій встановлюється і зберігається статична рівновага підпірної стінки запропонованої конструкції, істотно перевершує цей же параметр у прототипу і визначається по формулі, що отримана виходячи з проведених дослідів і обробки експериментальних даних: 2 ×N R= n × S × [1+ (cos a + f sin a] де R - гранична несуча здатність ґрунту, при якій встановлюється і зберігається статична рівновага підпірної стінки; N - зовнішнє нормальне навантаження відносно обвідних поверхонь опорних частин, що діє горизонтально та вертикально; n - коефіцієнт переведення контактних тисків у їх проекцію на нормальну вісь до обвідної поверхні опорних частин; S - фактична контактна площа опорних призматичних ділянок; a - кут, утворений обвідною площиною опорних частин та дотичною площиною, що проведена до поверхні призматичних ділянок на висоті; f - коефіцієнт тертя між ґрунтом і опорними призматичними ділянками. Тоді визначення об'єму порожнин здійснюється по формулі, що відбиває залежність об'єму порожнин від величини зовнішнього нормального навантаження від горизонтального і вертикального переміщень ґрунту: 2 wф ×N × H × (K × (d + h ) - h ) V= n × R × (H - d - h ) × [1 + (cos a + f sin a )] де V - об'єм порожнин; N - зовнішнє нормальне навантаження відносно обвідних поверхонь опорних частин, що діє горизонтально і вертикально; R - гранична несуча здатність фунту, при якій встановлюється і зберігається статична рівновага підпірної стінки; H - повна глибина порожнин; h - глибина проникання ґрунту в порожнину; d - абсолютна величина вимушеного зсуву фунту в розглянутій точці; S - фактична контактна площа опорних призматичних ділянок; К - коефіцієнт запасу по контактній площі, що враховує можливі зміни розрахункових силових навантажень; f - коефіцієнт тертя між ґрунтом і опорними призматичними ділянками; wф - узагальнений коефіцієнт обліку форми об'єму призматичних ділянок і їхньої площі проекції по обвідних поверхнях опорних частин; n - коефіцієнт переведення контактних тисків у їхню проекцію на нормальну вісь до обвідної поверхні опорних частин; a - кут, утворений площиною обвідних поверхонь опорних частин і дотичною площиною, що проведена до поверхні призматичних ділянок на висоті h . Визначальний параметр wф отриманий у результаті чисельного моделювання для різних геометричних співвідношень H , h , d , a з урахуванням незмінних фізико-механічних властивостей ґрунту. Для бічних площин опорних частин 3 коефіцієнт запасу К приймається близьким до одиниці, а для нижніх площин опорних частин 3 цей коефіцієнт значно вищий, чим і забезпечується висока надійність експлуатації конструкції підпірної стінки. Анти фрикційний шар 13 на бічних гранях 9 порожнин 2 призначений, для зменшення сил лобового опору, що особливо необхідно для захисту підпірних стінок від вимушених горизонтальних і вертикальних переміщень ґрунтів 6, 7. У запропонованому рішенні лобові навантаження знижуються до відомо низької границі за рахунок раціонального розкладання сил на бічних гранях 9 порожнин 2, завдяки їхній формі, у виді зрізаних пірамід, відповідно коефіцієнту тертя антифрикційного шару 13, що забезпечує вільне переміщення ґрунту 6, 7 у глибину порожнин 2 і віддалення його від напружених опорних призматичних ділянок 12. Лист пружнопідатливого матеріалу 11 призначений для забезпечення на початкових стадіях навантаження попереднього обтиснення ґрунту 6, 7 та для забезпечення збереження порожнин 2 на бічних зовнішніх поверхнях опорних частин 3 у період здійснення установки підпірної стінки на грунт 7 і зворотної засипки ґрунту 6, а також у ряді випадків для конструктивної організації антифрикційного шару 13. Порожнини 2 можуть бути різної глибини, замкнутими чи відкритими, розімкнутими. Основи 8 порожнин 2 можуть мати форми з різною кількістю сторін, які стикаються одна з одною. Антифрикційний шар 13 може бути виконаний у виді масляних розчинних сумішей або комплексних складів, наприклад, битумізованих емалей, а також у виді листови х чи плівкових матеріалів. Анти фрикційний шар 13 може бути виконаний на бічних гранях 9 по всій поверхні цілком або частково. Лист пружнопідатливого матеріалу 11 може бути виконаний з матеріалу, що самознищується згодом чи розтягується під впливом масиву ґр унту, що переміщується. Лист пружнопідатливого матеріалу 11 може виконувати функцію антифрикційного шару 13. Крім цього, антифрикційний шар 13 при виготовленні опорних частин 3 може виконувати функцію конструктивної формотворної опалубки. У початковий період зведення підпірної стінки, тобто якщо зовнішнє нормальне навантаження має мінімальне чи "нульове" значення, фактична контактна площа S опорних призматичних ділянок 10 і глибина h проникнення ґрунту 6,7 у порожнини 2 також мінімальні, а фактичний тиск у контакті по величині наближається до несучої здатності ґрунту при даному ступені його ущільнення. У процесі експлуатації підпірної стінки навантаження N пропорційно зростає, а разом з цим збільшується і глибина проникнення h , і фактична контактна площа S опорних частин 3. Після повного заповнення порожнин 2 лицьової плити 1 до роботи приєднується контрфорс 4, який протидіє зрушуючій силі ґрунту, що підпираємо. У порівнянні з прототипом, заявлена підпірна стінка має змінену форму контактуючи х поверхонь, є менш матеріалоємною і здатна знизити дії навантаження від горизонтального і вертикального переміщень ґрунту на її поверхні. Причому зниження витрат бетону опорних частин здійснюється не тільки за рахунок утворення порожнин, а також за рахунок зниження габаритів самих елементів відповідно до аналога, тобто в межах представленої підпірної стінки заощаджується не тільки бетон, але й арматурна сталь. Запропонована підпірна стінка може бути використана для стабілізації нестійких схилів і укосів, а також на підроблюваних територіях І, II, III, IV гр уп і на просадних ґрунтах І тип у. Запропонована підпірна стінка відрізняється високою надійністю експлуатації в критичній ситуації непередбаченого аварійного зростання горизонтального і вертикального силового навантаження. Це обумовлено самою роботою конструкції, тобто зі збільшенням навантаження опорні площі призматичних ділянок увесь час зростають, а тому об'єм порожнин рано чи пізно буде цілком заповнений ґрунтом, тоді опорна площа підпірної стінки значно зросте, а середній тиск при цьому зменшиться при досягнутому ступені ущільнення. Однак після цього підпірна стінка не зможе працювати в режимі перерозподілу контактних тисків, а буде працювати як підпірна стінка з контрфорсом.