Занятие 4. Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения

1.

08.03.01_06 «Промышленное и гражданское строительство уникальных
зданий и сооружений»
Технология возведения уникальных
зданий и сооружений
СВОБОДНО СТОЯЩЕЕ ШПУНТОВОЕ
ОГРАЖДЕНИЕ
Зацепина Александра Игоревна
Ассистент ВШПГиДС,
Гид проекта «Петербург глазами инженера»,
Член Союза Архитекторов
Санкт-Петербург
2024

2.

2/37
Общие положения
Строительство подземных частей крупных зданий и сооружений нередко
должно вестись на значительной глубине от земной поверхности в водоносных
грунтах или же вблизи существующих зданий и сооружений. В таких случаях для
обеспечения безопасных условий ведения работ зачастую применяют защитные
ограждения, так как устройство открытых откосов при больших глубинах
значительно увеличивает объемы земляных работ, во-первых, и создаст
значительные неудобства в производстве и организации работ на площадке, вовторых.
Сущность такого способа состоит в том, что до начала строительных работ
по контуру будущего заглубленного сооружения возводят ограждающую крепь,
под защитой которой в дальнейшем осуществляют выемку грунта и ведут
соответствующие работы.

3.

3/37
Общие положения
В зависимости от материала и конструкции ограждающие крепи могут
выполняться:
из отдельных элементов - шпунтин, погружаемых в грунт на расчетную
глубину (шпунтовое ограждение);
из замкнутых монолитных или сборных оболочек, выполненных из материала,
обладающего достаточной прочностью, погружающихся под действием
собственного веса по мере разработки грунта внутри оболочки (опускные
колодцы);
из монолитного или сборного железобетона в узких траншеях, отрываемых по
периметру возводящегося сооружения на всю его глубину, как правило, до
водоупора (стена в грунте).

4.

4/37
Общие положения
Ограждения второго и третьего типов чаще всего остаются в последующем
частью возводимого здания или сооружения, ограждения первого типа
(шпунтовые) являются временными, используемыми только на период ведения
строительных работ и по их завершении из грунта извлекаются.

5.

5/37
Шпунтовые ограждения
Шпунтовое ограждение собирают из отдельных шпунтин, стыкуемых между
собой с помощью специальных замковых соединений.

6.

6/37
Шпунтовые ограждения
Технические характеристики выпускаемого шпунта приведены в таблице:

7.

7/37
Шпунтовые ограждения
Выбор типа металлического шпунта осуществляется с учетом:
момента сопротивления W и момента инерции I шпунта; момент
сопротивления определяет прочность шпунта, момент инерции - его
жесткость;
массы одного метра;
замковые соединения должны допускать возможность образования
некоторого угла между отдельными элементами, позволяющего придавать
ограждению заданную форму.

8.

8/37
Шпунтовые ограждения
Устройство
шпунтового
ограждения,
как
правило, начинается с устройства направляющей
рамы, в которой осуществляется сборка ограждения.
Затем забивают маячные элементы и приступают к погружению шпунта. Сборка и погружение шпунта на
проектную глубину осуществляются двумя способами:
первый - собирается полностью шпунтовое
ограждение, забивка шнунтин осуществляется
поочередно на небольшую глубину, примерно на 1
м первоначально в одном направлении, а затем в
обратном;
второй заключается в последовательной сборке
шпунтового ограждения в результате забивки
каждого элемента сразу на полную проектную
глубину.

9.

9/37
Шпунтовые ограждения
Прямолинейность элементов и отсутствие дефектов в замках проверяют
протаскиванием через замки отрезка шпунтины длиной 1,5-2 м. Применять
электросварку для временного крепления шпунтин не рекомендуется, так как в
процессе сварки шпунтины деформируются, что значительно затрудняет их сборку.
Погружение
шпунта
производится
ударными
механизмами
или
вибропогружателями. Вибропогружение в несвязные водоносные пески или в
суглинки глубиной 7-8 м производится, как правило, без гидроподмыва. При
погружении на большую глубину и в различные грунты с наличием сухих песков и
вязких глин целесообразно применение гидроподмыва, однако вблизи фундаментов
существующих зданий, подземных сооружений и коммуникаций гидроподмыв
должен быть исключен.
После завершения работ, проводившихся под зашитой шпунтового ограждения,
и обратной засыпки котлована или траншеи производится извлечение
металлического шпунта. Извлечение чаще всего производится виброударными
шпунтовыдергивателями.

10.

10/37
Шпунтовые ограждения
Шпунтовое ограждение служит не только для удержания стен котлована в
вертикальном положении на период производства работ, но и препятствует
попаданию грунтовой воды в котлован. По условиям расположения относительно
водоносного слоя шпунтовая стенка может не перекрывать (рис. 5.1.7, а) или
перекрывать (рис. 5.1.7, б и 5.1.7, в) этот слой.

11.

11/37
Шпунтовые ограждения
В первом случае вода может поступать в котлован в основном через дно.
Во втором случае она может проникать только через неплотности шпунтовой
стенки.
Вторая схема более предпочтительна, так как при ней упрощается водоотлив,
но применять ее целесообразно лишь тогда, когда водоупор залегает на глубине,
которая может быть достигнута шпунтом, если же водоупор залегает на большой
глубине, то используют первую схему.

12.

12/37
Шпунтовые ограждения
Шпунтовые стенки можно устраивать свободно стоящими, но защемленными
в грунте (рис. 5.1.7, а), с распорками (рис. 5.1.7, б) с защемлением в грунте или
анкерами, также с защемлением нижнего конца в грунте (рис. 5.1.7, в). Выбор
схемы крепления шпунтов заключается в определении, будет ли крепление
свободно стоящим, с одним или несколькими ярусами распорок или анкеров.

13.

13/37
Шпунтовые ограждения
Шпунтовые ограждения котлованов глубиной до 7-8 м рассчитывают на
активное ра и пассивное рп давления грунта, определяемые для его предельного
напряженного состояния по правилам механики грунтов (давление грунта для
котлованов глубиной более 8 м рассчитывают на основе опытных данных).
Давление грунта на ограждение определяется по расчетным характеристикам
сопротивления грунта сдвигу ϕ и с и расчетному удельному весу Ƴ, используемому
в расчетах по первой группе предельных состояний.

14.

14/37
Шпунтовые ограждения
При определении давлений грунта на ограждения руководствуются общим
правилом, согласно которому боковое давление грунта, обусловленное его
внутренним трением, на любой глубине равно вертикальному давлению рв на той
же глубине, умноженному на коэффициент активного λа или пассивного λп
давления:
(5.1.36)
Вертикальное давление на заданном уровне определяется суммированием
внешнего давления (нагрузки) на поверхности и давлений от собственного веса
вышележащих слоев грунта:
(5.1.37)

15.

15/37
Шпунтовые ограждения
В (5.1.37) для несвязных грунтов, а также супесей, суглинков и глин
консистенции от мягкопластичной до текучей, залегающих ниже уровня вод,
удельный вес грунта принимают с учетом взвешивающего действия воды; для
полутвердых и твердых глин и суглинков взвешивающее действие воды не
учитывают. Последнее слагаемое в (5.1.37) учитывают только при определении
давления грунта ниже кровли водоупора, за который принято считать глины и суглинки твердой и полутвердой консистенций.
При определении давления связных грунтов принято учитывать их сцепление.
Сцепление снижает активное давление грунта на величину:
и повышает пассивное сопротивление грунта на величину:
где с - расчетное сцепление грунта.

16.

16/37
Шпунтовые ограждения
При построении эпюр давления грунта принято эпюру активного давления
строить с наружной стороны ограждения - со стороны нависающего над котлованом
грунта, эпюру пассивного давления - с внутренней стороны ниже дна котлована (под
котлованом).
Статический расчет шпунтовой стенки в зависимости от характера ее работы
ведется по двум принципиальным схемам:
расчет свободно стоящего шпунта (рис. 5.1.8, а) и
расчет с одним или несколькими ярусами анкеров или распорок (рис. 5.1.8, б).
В том и другом случае шпунт погружается в грунт котлована на некоторую
расчетную глубину, а под свободно стоящим шпунтом понимается шпунт,
защемленный в грунте и никаким иным способом более не раскрепленный.

17.

17/37
Шпунтовые ограждения

18.

18/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Рассмотрим свободно стоящую жесткую шпунтовую стенку.
Расчет заключается в определении необходимой глубины ее забивки из
условия устойчивости грунта и назначении сечения шпунта.
Примем, что стенка высотой Н + h является ограждением котлована глубиной
Н, пройденного в однородном связном грунте (сцепление с). Стенка защемлена на
глубину h и находится под действием активных и пассивных сил (рис. 5.1.9).
Расчетная ширина стенки – 1 м. По бровке котлована действует равномерно
распределенная сила q.

19.

19/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения

20.

20/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
На шпунтовое ограждение по всей его высоте и до точки поворота d
действуют слева силы активного давления грунта, справа - от дна котлована и до
точки d силы пассивного отпора грунта. Под действием активных сил стенка
поворачивается вокруг точки d. Действием активных и пассивных сил ниже точки d
(направления действия которых меняются на противоположные) временно
пренебрежем.
При забивке стенки на глубину h1 устойчивость ее по грунту оценивается по
условию:
(5.1.40)
где Ма - момент относительно точки поворота d всех активных
(опрокидывающих) сил, действующих на схеме рис. 5.1.9 слева;
Ƴг - коэффициент условий работы;
Ƴп - коэффициент надежности;
Мп - момент пассивных (удерживающих) сил относительно той же точки,
действующих справа (пассивное давление грунта).

21.

21/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
В предельном случае выражение (5.1.40) можно представить в виде
равенства нулю суммы моментов всех сил относительно точки поворота d:
где
Строим эпюры активных и пассивных сил, которые для упрощения расчетов
разбиваем на прямоугольные и треугольные участки.
Активное давление непосредственно на поверхности грунта при действии
равномерно распределенной нагрузки q и при связном грунте (с учетом того, что
сцепление снижает активное давление грунта на величину рас, рассчитываемое по
(5.1.38)) будет равно:
и, будучи распространенным на всю высоту котлована Н, составит силу

22.

22/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Боковое давление грунта удельным весом Ƴ на глубине Н составит λаƳH, что
сформирует силу F2:
Активное давление на уровне подошвы котлована составит:
и, будучи распространенным на глубину забивки шпунта h, сформирует силу
F3:
Боковое активное давление грунта на подошве столба высотой h составит
λаƳh и на всей высоте столба h сформирует силу F4:

23.

23/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Отпор грунта на уровне подошвы котлована, свободной от нагрузок, составит
рпс (5.1.39), а на всей высоте столба h сформирует пассивную силу F5:
На глубине h от дна котлована величина пассивного бокового давления
составит что сформирует силу F6.

24.

24/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Составим сумму моментов всех сил относительно точки d и приравняем ее
нулю в соответствии с (5.1.41), приняв m0 = 1:
откуда после раскрытия скобок и преобразований получим уравнение для
определения h:
(5.1.42)

25.

25/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
При отсутствии на бровке котлована распределенной нагрузки, т.е. при q = 0,
выражение (5.1.42) приводится к виду:
(5.1.43)
В случае, когда шпунтовая стенка устанавливается в несвязных грунтах
(рас = рпс = 0), т.е. в условиях максимальной нагрузки на шпунт, выражение (5.1.42)
трансформируется в
(5.1.44)

26.

26/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
и, наконец, при рас = рпс = 0 и q = 0:
(5.1.45)
Обозначив в (5.1.45)
(*)
приведем (5.1.45) к виду:
(5.1.46)
Уравнения (5.1.42)-(5.1.46) представляют собой уравнения третьей степени.
Существует несколько способов решения таких уравнений, но поскольку у
уравнений такого вида только один вещественный корень, то наиболее простым
является способ простого подбора. Обычно, после 5-6 итераций удается найти
решение с точностью по крайней мере до второго знака после запятой.

27.

27/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
После определения по (5.1.42)-(5.1.46) величины h полную глубину забивки
шпунта h' принимают h' = l,2h.
Координату zМ, сечения с максимальным изгибающим моментом, найдем из
условия равенства нулю в этом сечении поперечной силы.
Составим уравнение поперечных сил, действующих на стенку, начиная от
дневной поверхности до точки на расстоянии zM от подошвы котлована:
Поскольку всегда λр < λа, помножим обе части равенства на «-1», тогда после
открытия скобок и преобразований получим уравнение

28.

28/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
решив которое относительно zM, получим:
При рас = рпс = 0 и q = 0 (5.1.49) придет к виду:
(5.1.50)
или в обозначениях (*):
(5.1.51)

29.

29/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Максимальный изгибающий момент, выраженный через zM, будет:
(5.1.52)
При рас = рпс = 0 и q = 0 (5.1.52) придет к виду:
(5.1.53)
По найденной величине максимального момента Мmах, задавшись расчетным
сопротивлением стали (чаще всего С245 или С255 с R = 230 МПа), находим
требуемый момент сопротивления W = Мmах/А и по таблице технических
характеристик выбираем соответствующий тип шпунта.

30.

30/21
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Пример
Запроектировать металлическое шпунтовое ограждение котлована глубиной
Н = 5 м. Грунт - песок средней крупности с расчетными характеристиками сдвигу:
угол внутреннего трения ϕ = 38°, сцепление с = 0 и удельный вес Ƴ = 18 кН/м3. На
поверхности действует распределенная нагрузка q = 15 кПа (кН/м2).
Решение
1. Найдем недостающие расчетные данные:
- по (5.1.36) коэффициенты активного λа и пассивного λп давления:
- так как по условию сцепление с = 0, коэффициенты снижения активного рас
и увеличения пассивного рпс давления грунта также равны нулю: рас = 0 и рпс = 0.

31.

31/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
2. По (5.1.44) составляем уравнение для определения глубины забивки
шпунта в грунт ниже дна котлована h (расчет ведем на 1 п.м. шпунтового
ограждения):

32.

32/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Пробуем найти h простым подбором:

33.

33/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Таким образом, в заданных грунтовых условиях равновесие шпунтовой
стенки высотой h = 5 м будет сохранено при забивке ее в основание котлована на
глубину h = 3,6 м.
3. По (5.1.49) найдем ординату (в отсчете от дна котлована) - точку zM, где
изгибающий момент имеет максимальное значение. Учтём, что рас = 0 и рпс = 0:

34.

34/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
4. Максимальный изгибающий момент Мтax (в точке zM) найдем по (5.1.52):

35.

35/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
5. По найденной величине максимального момента Мтax = 189,48 кНм =
= 18948 кН·см, задавшись расчетным сопротивлением стали R = 230 МПа = 23 кН/см2,
находим требуемый момент сопротивления:
и по таблице выбираем
сопротивления 843 см3.
шпунт
корытного
профиля
ШК-2
с
моментом
6. Полную глубину забивки шпунта принимаем равной h' = 1,2h = 1,2·3,6 = 4,32 м.
7. Если решить аналогичную задачу для связного грунта (например, супеси
пластичной с углом внутреннего трения ϕ = 24°и сцеплением с = 13 кПа), то, по
сравнению с сыпучим грунтом (песок средней крупности с углом внутреннего трения ϕ
= 38° и сцеплением с = 0), окажется, что при забивке в несвязный грунт (песок)
изгибающий момент более чем втрое выше, чем в связный (54,7 кНм и 189,48 кНм).

36.

36/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
5. По найденной величине максимального момента Мтax = 189,48 кНм =
= 18948 кН·см, задавшись расчетным сопротивлением стали R = 230 МПа = 23 кН/см2,
находим требуемый момент сопротивления:
и по таблице выбираем
сопротивления 843 см3.
шпунт
корытного
профиля
ШК-2
с
моментом
6. Полную глубину забивки шпунта принимаем равной h' = 1,2h = 1,2·3,6 = 4,32 м.
7. Анализ результата. Если решить аналогичную задачу для связного грунта
(например, супеси пластичной с углом внутреннего трения ϕ = 24°и сцеплением с = 13
кПа), то, по сравнению с сыпучим грунтом (песок средней крупности с углом
внутреннего трения ϕ = 38° и сцеплением с = 0), окажется, что при забивке в
несвязный грунт (песок) изгибающий момент более чем втрое выше, чем в связный
(54,7 кНм и 189,48 кНм).

37.

37/37
Расчёт свободно стоящего шпунтового ограждения
Задача для самостоятельного решения
Запроектировать металлическое шпунтовое ограждение котлована глубиной
H = 5 м. Грунт - песок средней крупности с расчетными характеристиками сдвигу:
угол внутреннего трения ϕ, сцепление с = 0 и удельный вес Ƴ = 18 кН/м3. На
поверхности действует распределенная нагрузка q.