Расчет подпорных стен

Термины и определения

Виды подпорных стен

По характеру взаимодействия с грунтом подпорные сооружения разделяют на:

Расчет уголковых подпорных стен

Уголковые подпорные стены проектируют для организации рельефа со ступенчатым перепадом отметок дневной поверхности в тех случаях, когда не могут быть устроены естественные откосы. Уголковые подпорные стены, удерживающие перепад высот до 7 м, целесообразно проектировать консольно, без конструкций крепления. При большей высоте перепада для снижения внутренних усилий в конструкции подпорного сооружения целесообразно использовать анкерные тяги или контрфорсы.

Предварительные размеры уголковых подпорных стен определяются следующим образом

Полная ширина фундаментной плиты B≥0,5H, где H — полная высота подпорной стены.
Вынос фундаментной плиты за наружную грань лицевой плиты b=(0.2-0.3)B.
Толщина лицевой плиты в месте заделки δ=(0,10-0.20)H.
Глубину заложения определяют как для фундаментов наружных стен зданий в соответствии с СП 22.13330.

Расчет уголковой подпорной стены на сдвиг по подошве

При необходимости увеличения силы сопротивления сдвигу по подошве подошву следует проектировать с выступом («зубом»), направленным вниз.

Расчет уголковой подпорной стены на общий (глубинный) сдвиг

Расчет уголковой подпорной стены на опрокидывание

Расчет основания уголковой подпорной стены по несущей способности

Расчет основания уголковой подпорной стены по деформациям

Определение расчетных усилий (изгибающих моментов, нормальных и поперечных сил) в элементах подпорных стен уголкового профиля

Далее выполняется расчет конструкции подпорного сооружения по материалу в соответствии с СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции". В ходе этих расчетов подбирается рабочее армирование, назначаются материалы, уточняются толщины элементов.

Примеры армирования подпорной стены

Узлы монолитных уголковых подпорных стен

Конструктивная безопасность и надежность монолитных железобетонных уголковых подпорных стен в значительной степени зависит от правильности расчета и конструирования узла сопряжения стены с фундаментом.

Особенность этого узла заключается в следующем:

1) внутренние усилия в этом узле, а именно – изгибающий момент, поперечная сила, продольная сила, достигают своих максимальных значений, что можно увидеть из приведенных выше эпюр;

2) технология устройства монолитных уголковых подпорных стен, как правило, предполагает, что сначала возводят фундамент, затем стену, следовательно, возникает рабочий шов бетонирования.

Таким образом, в этом узле возникает очень опасная комбинация факторов: с одной стороны там максимальная поперечная сила, а с другой – там же мы устраиваем рабочий шов бетонирования.

Далее публикуем цитаты из следующей работы:

[download id="1045"]

«Поскольку прочность адгезии нового бетона со старым – величина случайная и во внимание быть принята не может, бетон в шве на срез работать не в состоянии, и его несущая способность Qb тоже нулевая. В итоге, расчетная несущая способность сечения по шву при действии поперечной силы (Qu = Qb + Qsw) равна нулю».
«Фактически же поперечной силе в шве (сдвигу) сопротивление есть, и оказывает его продольная арматура, работающая как нагель – на срез и на изгиб».
«Существует еще один старый, но забытый конструктивный прием, применявшийся в 1920 – 1940-е годы при устройстве температурных швов в монолитных перекрытиях, а именно: выполнять шов не плоским, а ступенчатым. В нем из-за большей удаленности от шва ближайших хомутов нагельный эффект проявляется несколько слабее (хотя все равно присутствует), зато в восприятии поперечной силы участвуют выступы бетона, работающие как бетонные консоли».

Таким образом, прочность этого узла на сдвиг должна быть обеспечена или за счет нагельного эффекта, или за счет бетонных шпонок.

Российские нормативные документы в готовом виде не содержат методики расчета этого узла. Если поперечная сила воспринимается продольной арматурой – необходимо отталкиваться от методики СП 63.13330.2018 по расчету закладных деталей. Методика расчета бетонных шпонок также приведена в указанном своде правил.

Другой важный вопрос, связанный с этим узлом, заключается в анкеровке арматуры стены в фундаментной плите. Как правило, растянутый арматурный стержень анкеруют путем отгиба на 90° по дуге круга радиусом в свету не менее 10d(1 – L1/Lan) [где L1 — длина прямого участка у начала заделки]. Более подробно об это можно прочитать в «Пособии но проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003)».

[download id="1061"]

Из рисунка ниже можно увидеть важнейший момент – толщина плиты в месте заделки должна быть достаточна для надежной анкеровки продольной арматуры стены. В некоторых случаях целесообразно делать фундаментную плиту переменной толщины, с увеличением в сторону заделки.

Работа узлов уголковых подпорных стен достаточно подробно показана в этом исследовании – Detailing Aspects of the Reinforcement in Reinforced Concrete Structures. Retaining wall (case study).

[download id="1066"]

В частности, в этой книге показаны реальные схемы разрушения уголковой подпорной стены в зависимости от различных вариантов армирования узла «стена – фундамент».

Также в работе показано, что добавление диагонального арматурного стержня (см. рис. e) значительно повышает эффективность работы узла.

Онлайн калькулятор расчета подпорной стены

Cantilever Retaining Wall Design

Онлайн калькулятор позволяет рассчитывать уголковые подпорные стены в следующем объеме: расчет давления грунта; анализ устойчивости; подбор размеров и армирования элементов подпорной стены. В расчетах можно учесть сейсмику. К сожалению, разработка зарубежная, и расчеты выполняются не по российским нормам, поэтому результаты расчетов требуют последующего уточнения.

Программы для расчета подпорных стен

В настоящее время не существует такой программы, в которую можно было бы загнать все исходные данные, и получить в итоге рабочий проект подпорной стены. Существуют лишь программы, которые автоматизируют отдельные этапы проектирования подпорной стены. Ниже рассмотрим наиболее интересные разработки.

Модуль «Подпорная стена» в программном комплексе МОНОМАХ-САПР позволяет проектировать монолитную железобетонную уголковую подпорную стену для заданных инженерно-геологических условий строительства.

Важно понимать, что результаты конструирования лишь предварительные, и требуется последующая ручная доработка. Узел сопряжения стены и фундамента программа отдельно не просчитывает, наличие рабочего шва бетонирования также не учитывается.

Существенным недостатком программы является отсутствие поддержки действующих нормативных документов, в том числе в части железобетона. Область применения программы – прикинуть в первом приближении размеры и армирование уголковой подпорной стены.

Программный комплекс GEO5 содержит следующие основные модули для расчета подпорных стен:

— модуль «Уголковая стена»;

— модуль «Гравитационная стена»;

— модуль «Габионная стена».

Скачать бесплатную демо-версию GEO5 без ограничений в расчётах можно с официального сайта.

Область применения программы – предварительные расчеты подпорных стен с определением размеров и армирования (в необходимых случаях).

Следует помнить, что весь комплекс расчетов, который предусмотрен нормативными документами, GEO5 не выполняет.

Пакет прикладных программ «GIPRO» содержит модуль по расчету монолитных железобетонных подпорных стен. Демо-версия программы доступна на официальном сайте и выполняет без ограничений расчет подпорных уголковых стен размером по ширине подошвы до 2.1м.

Программа позволяет по заданным критериям автоматически подобрать подпорную стену и выполнить расчет армирования. Также как и другие программы, весь комплекс необходимых расчетов программа не выполняет.

Интерфейс программы не самый современный, и не самый удобный, но расчеты выполняются достаточно точно. Программа в значительной степени поддерживает действующие нормативные документы.

Пакет прикладных программ NormCAD содержит модуль, реализующий расчеты из «Пособия к СНиП Проектирование подпорных стен и стен подвалов». Отличительная особенность NormCAD – подробно расписанное решение, строго соответствующее тому документу, в соответствии с которым оно выполнено.

Программа «Фундамент» позволяет выполнять расчеты:

уголковых и массивных подпорных стен на естественном основании;
уголковых подпорных стен на свайном основании;
шпунтовых стен.

Программа позволяет учитывать: наличие анкеров, наличие контрфорсов, наличие зуба.

Безусловно, программа не выполняет весь комплекс необходимых расчетов, и годится только для определения предварительных параметров подпорных стен. Кроме того, программа не поддерживает актуальные нормативные документы.

По существу, данная программа является офлайн калькулятором подпорных стен. Скачать программу можно также на этом сайте.

Программа LimitState GEO позволяет рассчитывать различные виды подпорных стен по устойчивости. Особенность программы – это уникальная технология расчета, основанная на теории предельного равновесия грунтов. Программа позволяет быстро и точно оценивать устойчивость грунтовых массивов с учетом подпорных сооружений. Также стоит отметить удобный интерфейс программы. Скачать демо версию можно на официальном сайте, она содержит существенные ограничения для ряда расчетов, но тем не менее полезна для желающих освоить расчеты подпорных стен на высоком уровне.

Ручной расчет подпорных стен

Если вы желайте ознакомиться с методиками «ручного» расчета подпорных стен, можно рекомендовать следующее учебное пособие:

[download id="1128"]

Подпорная стена с контрфорсами

Контрфорсы нужны для массивных и уголковых подпорных стен при их высоте более 7 м (ориентировочно). Применение контрфорсов необходимо для снижения внутренних усилий. Кроме того, контрфорсы являются дополнительным элементом безопасности для монолитных уголковых подпорных стен. Выше было показано, что конструктивная безопасность таких стен во многом зависит от правильности исполнения узла сопряжения стены с фундаментной плитой. Наличие контрфорсов существенно повышает устойчивость к сдвигу в рабочем шве бетонирования. В необходимых случаях целесообразно использовать скрытые контрфорсы, чтобы обеспечить надежность консольной системы.

Контрфорсные подпорные стены, как правило, следует рассчитывать в пространственной 3D постановке. Альтернативой контрфорсам являются анкерными тягами.

Расчет габионных подпорных стен

Габионные подпорные стены бывают двух основных типов:

массивно-объемные стены — устойчивость обеспечивается за счет собственного веса подпорной стены;
армогрунтовые стены — устойчивость обеспечивается весом грунта, который за счет армирующих панелей объединен в единый массив.

Массивно-объемные стены в целом рассчитываются как обычные железобетонные стены гравитационного типа. Основное отличие в том, что расчет внутренней прочности производится по-другому.

Армогрунтовые габионные подпорные стены работают по достаточно сложной схеме. Как указано в ОДМ 218.2.049-2015 «армирующие панели, создавая дополнительные связи между частицами грунта, вызывают перераспределение усилий, обеспечивая тем самым передачу напряжений с перегруженных зон и вовлекая в работу недогруженные».

Расчет армогрунтовых подпорных стен требует применения специальных методов и средств, как правило, используется численное моделирование.

Расчет габионных подпорных стен выполняют с учетом их двух ключевых особенностей:

1 – гибкость объемных сетчатых каркасов;

2 – проницаемый ячеистый тип конструкций.

Далее приведем две цитаты из ОДМ 218.2.049-2015:

«Гибкость сооружений из габионных конструкций позволяет им без разрушения следовать за деформациями, вызванными неравномерными осадками и размывом основания, температурными напряжениями, что исключает необходимость устройства температурно-осадочных швов. Гибкость габионных конструкций также улучшает работу всего сооружения в условиях действия динамических воздействий, в том числе и сейсмических».

«Проницаемость сооружений из габионных конструкций для грунтовых и паводковых вод обусловливается ручной укладкой каменного материала, при которой их пористость достигает 0,25-0,40. Данная особенность позволяет исключить возникновение гидростатических нагрузок и снизить затраты на устройство обратного фильтра».

Ниже показаны примеры расчета габионных подпорных стен методами численного моделирования.

Расчет гибких подпорных стен

Как было отмечено выше, устойчивость гибких подпорных стен обеспечивается за счет их заделки в грунтовый массив на расчетную глубину. Отсюда можно понять, что для применения гибких подпорных стен нужны достаточно прочные грунты.

Величина заделки консольной подпорной стены в грунте, как правило, находится в диапазоне (1-2,5)H, где H – высота удерживаемого перепада. Консольное исполнение гибких подпорных стен допускается при их высоте до 5-6м. При большей высоте нужно использовать анкеры, распорки и т.д.

Расчетная схема гибкой подпорной стены

Расчет внешней устойчивости гибкой подпорной стены

Эпюра изгибающих моментов для консольной гибкой подпорной стены

Расчет подпорных стенок, возводимых на однорядных буронабивных сваях, объединенных ростверком

Расчет подпорных стенок, возводимых на двухрядных буронабивных сваях, объединенных ростверком

Расчет шпунта. Расчет шпунтовой подпорной стенки

Возможные варианты разрушения подпорных стен

К сожалению, на практике случаи разрушения подпорных стен не являются редкостью. Основные 23 варианта разрушения приведены ниже.

Следует понимать, что подпорные сооружения являются достаточно сложными инженерными объектами, как с позиции проектирования, так и с позиции строительства. В этой связи к проектированию и строительству нужно привлекать квалифицированных и опытных специалистов.