4
На этой интернет страничке речь пойдёт о моём опыте расчёта и строительства подпорной стены. И сразу же хочу оговориться - здесь написано лишь о конкретном (моём) случае. Я не являюсь специалистом строителем, поэтому все мои мысли хорошо бы перепроверять. Также, я могу быть неточен в формулировках и строительных понятиях.
А теперь о том, почему может оказаться полезным изучить именно эту страницу.
Некоторое время назад я понял, что на моём земельном участке необходимо устройство подпорной стены и решил своими силами рассчитать такую стену. Всем известно, что в строительстве очень важен расчёт, потому что с одной стороны исключается аварийность (разрушение сооружения), с другой стороны - экономятся финансовые затраты (на строительные материалы и рабочую силу), так как определяются некие оптимальные геометрические размеры сооружения. После долгих поисков примеров расчёта в интернете выявилась информация двух направлений. Первое направление - это сайты садово-огородной тематики и ландшафтного дизайна. Основная мысль там была такая:"для высоты стены менее 1м достаточно просто заглубить её на 1/3 высоты. Стены высотой более 1м можно делать только после расчётов специалистов (проектировщиков) ". Второе направление - это сайты, на которых предлагались различные программы для расчёта подпорных стен, книги, СНиПы. Меня не устраивали ни советы дачников (часто предлагающих совершенно разные принципы расчёта подпорных стен), ни программы (ведь всем понятно, что доверять программе нельзя, пока точно не поймёшь, как она работает).
Как известно, всё же есть литература, требованиям которой должны удовлетворять сооружения, проходящие экспертизу. Это нормативная литература, кратко называется СНиП, а расшифровывается как "Строительные нормы и правила". Так вот, все проектировщики, все легальные программы проходящие строительную экспертизу, должны удовлетворять условиям, записанным именно в СНиП. И в конечном итоге, я решил строить подпорную стену в соответствии с нормативной литературой. Существует СНиП 2.09.03-85 "Сооружения промышленных предприятий", в котором есть раздел 2 "Подпорные стены". Но в СНиП-е очень сухая и скудная информация для расчётов. К счастью, существует "Справочное пособие к СНиП "Проектирование подпорных стен и стен подвалов" и именно это пособие позволило мне рассчитать подпорную стену (кстати, по этому же пособию считают проектировщики и пишутся многие программы).
Вобщем, сейчас, уже после расчёта, я могу сказать что наибольшую полезную информацию я нашёл в трёх источниках (хотя облазил много интернета и различной информации):
1. Справочное пособие к СНиП "Проектирование подпорных стен и стен подвалов", Москва 1990
2. Г. К. Клейн "Расчёт подпорных стен", Высшая школа 1964
3. ВСН 167-70 ТЕХНИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОДПОРНЫХ СТЕН ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Указанную литературу удобнее всего скачать на сайте dwg.ru в разделе Download. Первые две книги необходимо скачать в формате djvu. ВСН мне удалось найти только в формате doc .
Итак, небольшая общая информация. Подпорная стена (также называют подпорная стенка, опорная стенка) - это удерживающее сооружение, предназначенное для поддержания грунта (земли) на участке со сложным рельефом. Существуют различные виды стен - стены на свайном основании, шпунтовые стены, уголковые (тонкостенные) стены, массивные подпорные стены. Может есть ещё какие-то виды. Вобщем, в Пособии рассматриваются два вида - уголковые и массивные. Мне как раз только эти виды возможно реализовать (шпунтозабивное и сваебурильное оборудование подойти к месту строительства стены не может). Далее мне необходимо было выбрать - какого же всё-таки вида стену принять (массивную либо уголковую). Пришлось рассчитать оба варианта (чтобы выяснить, какой обойдётся дешевле). В результате я получил геометрические размеры для уголковой и для массивной подпорной стены.
Затем я произвёл экономическое сравнение этих двух видов подпорной стены для своего случая (рассматривался один погонный метр стены), вот результаты:
Вид подпорной стены
Обратная засыпка грунта для массивной подпорной стены
Конечно же, при различных условиях (в отдельных случаях) получится различная стоимость строительства. В вашем случае, возможно, будет дешевле стена уголкового профиля. Уточню, что оба вида профиля (что представлены в таблице выше) имеют одинаковый запас устойчивости (т.е. рассчитаны на одинаковую нагрузку). Также надо иметь ввиду, что стена уголкового профиля более требовательна к качеству работ - бетон в такой конструкции должен быть уложен очень аккуратно, уплотнён вибратором, необходимо сохранить защитный слой арматуры, сложности с установкой арматурного каркаса, опалубки. Вобщем, в моём случае дешевле и проще обходилось строительство массивной подпорной стены. Поэтому далее я расскажу про расчёт и строительство именно массивной бетонной подпорной стены .
Первоначально необходимо определиться с высотой стены. Нужно определить, какой перепад высоты откоса необходимо удержать - т.е. разница отметок уровня земли в нижней части стены и отметкой земли сверху подпорной стены. Я исходил из практических соображений. Решил, что максимальная высота, на которую можно вручную поднять ведро с бетоном - 1,4м (все работы по замесу бетона планировалось проводить снизу стены). Также в выборе именно этой высоты сыграла роль размера стандартного листа фанеры - 1525х1525мм. Итак, я определился с перепадом отметок - 1400мм .
Далее для составления расчётного профиля подпорной стены необходимо учитывать конструктивные требования СНиП (раз уж мы решили провести расчёт в соответствии со строительными государственными нормами):
1. Минимальная глубина заложения подошвы подпорной стены 600мм (пункт 10.6 Пособия)
2. Минимальный размер для бетонной массивной подпорной стены равен 400мм (пункт 10.4 Пособия). Это означает, что верхняя (самая тонкая) часть стены должна быть не менее 400мм.
3. Уклон подошвы подпорной стены в сторону обратной засыпки не более 0,125 (пункт 10.10 Пособия). Это означает, что подошва подпорной стены может иметь понижение в сторону засыпки (это увеличивает её устойчивость) но не более чем на 125мм на каждый метр.
4. Ширина подошвы подпорной стены предварительно назначается в пределах 0,5-0,7 от полной высоты стены (пункт 10.3 Пособия).
Расчётный продольный профиль массивной подпорной стены
Ещё надо учесть необходимость создания дренажа за подпорной стеной. В связи с этим появляется "ступенька" на тыльной стороне стены. В моём случае ещё было выгодно сделать наклон передней грани стены - связано с тем что тогда можно использовать небольшую площадь дороги ниже участка, не создавая при этом помехи транспорту. В книге Г.К. Клейна рекомендуется принимать уклон стены 3:1 (т.е. на 3м высоты стены, горизонтальное её смещение составляет 1м). В итоге, с учётом вышесказанного, я составил продольный профиль подпорной стены для расчёта (смотреть рисунок справа).
Рекомендуемая зависимость величины заглубления и высоты стены
Нужно также заметить, что высоту перепада отметок в 1400мм я также принял исходя из условия минимального заглубления подошвы (600мм) и рекомендуемой общей высоты стены в этом случае 2м (смотреть пункт 10.4 Пособия и рисунок слева), отсюда и принятый перепад составил 1400мм. Нужно заметить, что в расчёте массивной стены можно было бы учесть вес грунта на той площадке, что я оставил для осуществления дренажа (230мм), в этом случае стена получается немножко устойчивее сдвигу. Но в связи с тем, что эта площадка (230мм) очень мала, я не учитываю её в расчёте. Забегая вперёд хочу отметить, что в любом случае, считать подпорные стены приходится методом подбора (т.е. задаваться геометрическими размерами стены - считать её - если стена неустойчива - то увеличивать размеры стены и снова считать. Если стена устойчива с большим запасом - то уменьшать размеры и пересчитывать). В своём случае я варьировал массу стены (и её устойчивость) за счёт подбора выступающей передней подземной части стены (т .е. варьировал размер 300мм на этой картинке ). В итоге, стена оказалась устойчивой при минимальном запасе именно при данном окончательном продольном профиле. И поэтому расчёт ниже приводится уже для окончательно принятого профиля стены.
Приступая к расчёту, нам необходимо иметь исходные данные (технические условия). Геометрические размеры подпорной стены у нас имеются. Величина угла наклона поверхности земли к горизонту выше подпорной стены в моём случае составила 12°. Остаётся определиться со свойствами грунта. И вот здесь самая главная проблема. Дело в том, что проектные организации отказываются рассчитать стену, если нет свойств грунта (т.е. результатов инженерно-геодезических изысканий ). Эти самые свойства грунта (показатели грунта, инженерно-геодезические изыскания (ИГИ), параметры грунта) делаются отдельными организациями с помощью взятия проб грунта бурильными установками на месте предполагаемого строительства. Короче говоря, это дорогостоящее и трудоёмкое дело. Поэтому я сразу решил, что заказывать ИГИ для меня слишком дорого. Как же поступать в этом случае? Возможно, ваш сосед по земельному участку заказывал геодезические изыскания - тогда можно узнать у него свойства грунта (хотя, они могут и отличаться). Я же воспользовался рекомендациями из книги Яковлев "Технология ТИСЭ. Универсальный фундамент" и принял, что у меня на участке грунт представляет собой суглинок. Далее мы обращаемся к Таблице 2 Пособия и находим для своего случая необходимые нормативные свойства грунта. Всё же надо отметить, что неправильно принятые свойства грунта (завышенные) могут плохо повлиять на результаты расчёта (стена может оказаться неустойчива на реальном грунте). Поэтому лучше занизить свойства, чем завысить (т.е. лучше принять грунт с более низким значением угла внутреннего трения грунта). Принятые мною параметры грунта выделены в красный прямоугольник:
Нормативные показатели грунта
Итак, мы определились с исходными данными, приступаем к расчёту. Я выполнял расчёт в программной среде MathCAD. но это не имеет никакого значения. С помощью калькулятора и бумаги с ручкой абсолютно так же можно выполнить весь расчёт. Первым делом, принятые нормативные значения грунта пересчитываем на расчётные значения, для расчёта подпорной стены по первому и второму предельному состоянию (не пугайтесь ужасных слов, фактически - это просто ввод коэффициентов запаса). Вот эти расчётные параметры грунта (все формулы приведены в Пособии):
Расчётные показатели грунта
Далее я разбиваю тыльную поверхность стены на два характерных участка (смотри поясняющий рисунок ) - участок АВ вертикальный, это обусловлено удобством установки опалубки и участок ВС - наклонённый под углом 17° к вертикали, это обуславливается тем, что строго вертикальный откос грунта не удержится (котлован может осыпаться) а при указонном уклоне грунт может сам держаться на время проведения работ. Итак, на участке АВ вычисляю коэффициент горизонтального давления грунта. Затем угол наклона плоскости скольжения и учёт того, что суглинок является связным грунтом и имеет некоторое трение по плоскости скольжения, что увеличивает устойчивость стены:
Коэффициент активного давления грунта
В моём случае строительство подпорной стены ведётся в районе с сейсмичностью 8 баллов. Поэтому, необходимо ввести коэффициент на активное горизонтальное давление грунта, согласно отдельному разделу Пособия. И нахожу интенсивность горизонтального активного давления грунта в точке В:
Интенсивность горизонтального активного давления грунта
Далее аналогично участку АВ, нахожу все необходимые расчётные значения для участка ВС. И в итоге строю график зависимости интенсивности горизонтального активного давления грунта от глубины. Красной линией отображена зависимость для участка АВ. В верхней части графика есть "нереальная" отрицательная зависимость активного давления грунта - это за счёт того, что связный грунт (как суглинок) на определённую некоторую глубину может быть устойчив за счёт собственных связных сил (этот момент разобран в книге Г.К. Клейна). Синяя линия - зависимость активного давления грунта от глубины на участке ВС:
Расчёт участка ВС
И вот, на следующем этапе расчёта мы получаем некоторое понятное и несущее смысл значение. Это сдвигающая сила. Кстати, надо упомянуть, что я принял распределённую нагрузку выше стены равную нулю (т.е. принято, что выше стены никаких грузов не лежит). Но, забегая вперёд, хочу сообщить, что я произвёл расчёт своей стены также и без учёта сейсмики отдельно и получил вот какие результаты: при землетрясении в 8 баллов стена устойчива при отсутствии распределённой нагрузки (т.е. если выше стены не будет ничего складироваться), а при отсутствии землетрясения (нормальные условия) стена устойчива даже при наличии распределённой нагрузки 500 кг на квадратный метр поверхности выше стены. Это довольно приличное значение.
Итак, ниже представлен расчёт сдвигающей силы от собственного веса грунта. И мы получили, что на один погонный метр стены, по всей её высоте грунт давит с силой 21,69 кН, это примерно 2,1 тонны .
Сдвигающая сила от массы грунта
*