ПОДПОРНАЯ СТЕНКА НА СКАЛЬНОМ ГРУНТЕ
RETAINING WALL ON ROCKY GROUND

Изобретение относится к подпорным стенкам для строительства на скальном основании, выполненным в виде заанкеренного больверка, и может быть использовано при строительстве морских и речных причальных и берегоукрепительных сооружений, набережных, в дорожном, промышленном и гражданском строительстве.
В гидротехническом строительстве существует проблема снижения веса и материалоемкости конструкций подпорных стенок, предназначенных для сооружения на твердых скальных грунтах.
Традиционно на скальных грунтах применяются материалоемкие конструкции гравитационного типа.
Например, известно причальное сооружение, применяемое на скальных грунтах, содержащее массивные упоры, выполненные преимущественно из бетона и установленные между ними замыкающие тонкостенные арочные элементы, опирающиеся на упоры (SU №1134662 А, 1985 г.).
В этом известном причальном сооружении усилия от веса засыпки и эксплуатационные нагрузки должны восприниматься массивными бетонными упорами, установленными непосредственно на поверхности скального грунта, это является причиной высокой материалоемкости конструкции.
Наиболее близким по конструктивным особенностям к предлагаемому техническому решению (прототипом) является причальное сооружение, включающее упоры в виде погруженных в грунт свай с жестко закрепленными на них с тыльной стороны, т.е. со стороны засыпки, шпунтовыми замками, и погруженные в грунт практически на ту же глубину, что и сваи, замыкающие тонкостенные арочные элементы, контактирующие со сваями и упирающиеся в них своими боковыми кромками. При этом боковые кромки каждого их арочных элементов выполнены утолщенными и размещены во внутренних полостях шпунтовых замков двух смежных свай, а кривизна арочных элементов выполнена переменной по высоте для обеспечения восприятия переменного по высоте усилия от воздействия грунта (RU №2010908, 1994 г.).
Конструкция подпорной стенки указанного известного причального сооружения не применима для скальных грунтов. Кроме того, в указанной конструкции как несущие сваи, так и тонкостенные замыкающие арочные элементы погружены в грунт на значительную глубину, необходимую для обеспечения защемления в грунте и обеспечения тем самым необходимой прочности сооружения при воздействии внешних эксплуатационных нагрузок. Необходимость глубокого погружения элементов подпорной стенки ведет к значительному расходу как материала свай, так и тонкостенных арочных элементов. Изменение кривизны арочного элемента по высоте, необходимое для восприятия переменной нагрузки от веса грунта, приводит к неплотности прилегания утолщенных кромок арочных элементов к стенкам шпунтовых замков, и как следствие - к ухудшению свойств грунтонепроницаемости подпорной стенки, к снижению прочности и надежности соединения, а также к увеличению расхода металла.
Еще одним недостатком конструкции известной шпунтовой стенки, ведущим к повышению материалоемкости, является то, что равнодействующая от эксплуатационных нагрузок и веса грунта передается полностью на сваи, т.к. спаренные шпунтовые замки размещены с тыльной стороны сваи практически в плоскости, перпендикулярной плоскости шпунтовой стенки, т.е. ее продольной плоскости.
Задачей предлагаемого изобретения является создание легкой тонкостенной подпорной стенки типа больверк, обладающей низкой материалоемкостью, хорошей грунтонепроницаемостью и надежностью и применимой для возведения на скальном грунте.
Технический результат - снижение материалоемкости при сохранении заданной несущей способности, повышение прочности и герметичности всех узлов подпорной стенки.
Поставленная задача решается за счет того, что в подпорной стенке, включающей сваи с закрепленными на их наружных поверхностях шпунтовыми замками и дугообразные в плане замыкающие тонкостенные арочные элементы с утолщенными боковыми кромками, размещенными в шпунтовых замках смежных свай, согласно изобретению сваи выполнены защемленными в скальное основание путем бетонирования в предварительно разбуренных стаканах-фиксаторах, а арочные элементы выполнены постоянной кривизны по высоте и установлены с опиранием на скальное основание без заглубления, при этом шпунтовые замки каждой сваи расположены в плоскостях, проходящих через ось сваи под углами соответственно α и минус α градусов к плоскости, перпендикулярной продольной плоскости подпорной стенки в плане, с возможностью восприятия и передачи усилий от арочных элементов на сваю, при этом угол α может быть равным от 10 градусов до 55 градусов.
Преимущественно угол α равен 45 градусам.
Шпунтовые замки могут быть выполнены из прокатного профиля, при этом зев каждого замка имеет форму поперечного сечения, повторяющую форму поперечного сечения размещенной в замке утолщенной боковой кромки арочного элемента, и выполнен охватывающим упомянутую утолщенную кромку с возможностью их взаимного поворота на угол плюс-минус 20 градусов.
Подпорная стенка согласно изобретению может быть снабжена анкерным устройством, включающим соединенные со сваями анкерные тяги и анкерные опоры, выполненные защемленными в скальное основание путем бетонирования в предварительно разбуренных отверстиях.
Благодаря тому, что сваи в предлагаемой подпорной стенке забетонированы в предварительно разбуренных в скальном основании стаканах-фиксаторах, защемление и, следовательно, прочность и жесткость свай, эквивалентная техническому решению по прототипу, обеспечивается на значительно меньшей глубине, чем в случае, когда сваи погружены в обычный грунт, как это имеет место в прототипе. Это приводит к значительной экономии материала свай.
Снижение материалоемкости обеспечивается также за счет того, что арочные элементы установлены без заглубления и выполнены опирающимися непосредственно на подготовленный скальный грунт, благодаря чему значительно сокращается их высота по сравнению с прототипом и, следовательно, сокращается расход материала арочных элементов.
Благодаря тому, что шпунтовые замки расположены на сваях в плоскостях, проходящих через ось сваи под углами соответственно плюс α и минус α градусов к плоскости, перпендикулярной продольной оси подпорной стенки в плане, равнодействующая от эксплуатационных и грунтовых нагрузок передается на сваю соответственно под углом α градусов с одной и с другой стороны. При этом нормальная составляющая, т.е. усилие, действующее на сваю перпендикулярно плоскости подпорной стенки, уменьшается пропорционально косинусу этого угла. Чем больше значение угла α, тем меньше нормальная составляющая, действующая на сваю, а усилия, действующие на каждую сваю в плоскости продольной стенки, т.е. продольные составляющие, взаимно уравновешиваются, что также способствует снижению металлоемкости свай и подпорной стенки в целом.
Наиболее предпочтительным является выполнение угла α равным 45 градусам. В этом случае продольная и нормальная составляющие внешнего усилия равны между собой. Продольные составляющие усилий смежных свай направлены навстречу друг другу и взаимно уравновешиваются, а нормальная составляющая, уменьшенная примерно в 1,4 раза по сравнению с усилием от внешних нагрузок, приходящимся на одну сваю, воспринимается анкерным устройством.
Постоянство кривизны арочного элемента по высоте не только обеспечивает надежное плотное прилегание утолщенных боковых кромок арочного элемента к внутренней поверхности шпунтового замка за счет прижимающего усилия от внешней нагрузки, благодаря чему улучшается герметичность соединения, но и позволяет снизить металлоемкость арочного элемента за счет прямоугольной формы развертки его заготовки.
Выполнение шпунтовых замков из прокатного профиля с зевом, имеющим в поперечном сечении форму, повторяющую форму поперечного сечения охватываемой утолщенной кромки арочного элемента, обеспечивает минимальный зазор в замковом соединении и, следовательно, хорошую грунтонепроницаемость подпорной стенки. Кроме того, прокатный профиль более прочен и надежен при восприятии и передаче нагрузок на сваи и наименее металлоемок. Возможность взаимного поворота в пределах 20 градусов облегчает процесс сборки и позволяет компенсировать возможные погрешности при монтаже.
Выполнение анкерных опор защемленными в скальный грунт путем бетонирования в предварительно разбуренных отверстиях, также повышает надежность сооружения и обеспечивает экономию материала.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых изображены:
на фиг.1 - подпорная стенка в поперечном разрезе;
на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 - развертка арочного элемента;
на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3;
на фиг.5 - схема нагрузок, действующих на сваю;
на фиг.6 - анкерное устройство по настоящему изобретению.
Подпорная стенка включает:
- лицевую стенку 1, состоящую из установленных в ряд свай 2, смонтированных и забетонированных в предварительно разбуренных в скальном основании стаканах-фиксаторах 3 и препятствующих сдвигу сооружения, и
- установленные с опиранием непосредственно на скальное основание без заглубления в скальный грунт замыкающие тонкостенные арочные элементы 4 с утолщенными боковыми кромками 5.
Каждая свая 2 снабжена двумя шпунтовыми замками 6, которые предварительно привариваются к ее наружной поверхности. Замки 6 каждой сваи 2 размещены симметрично в плоскостях, проходящих через продольную ось сваи 2 под углами соответственно плюс α и минус α градусов к плоскости, перпендикулярной продольной плоскости подпорной стенки в плане.
В контексте настоящей заявки термин «продольная плоскость» или просто «плоскость подпорной стенки» - это вертикальная плоскость, проходящая через продольные оси всех свай подпорной стенки.
Сваи 2 могут быть выполнены из труб, предпочтительно круглого сечения, но могут иметь поперечное сечение любой другой формы. При изготовлении свай 2 шпунтовые замки 6 приваривают к трубе таким образом, чтобы между ними был образован угол 2α в поперечном сечении.
Подпорная стенка содержит также анкерное устройство 7, включающее анкерные тяги 8, соединенные со сваями 2, и анкерные опоры 9, которые могут быть забетонированными в скальное основание.
Шпунтовые замки 6 служат для обеспечения грунтонепроницаемости подпорной стенки, кроме того, через них с арочных элементов 4 на сваи 2 происходит передача усилий от грунтовых и эксплуатационных нагрузок. В данной конструкции шпунтовые замки работают только на сжатие. Нормальные составляющие этих усилий передаются со свай 2 далее на анкерные тяги 8 и анкерные опоры 9 анкерного устройства 7.
Для обеспечения прочности и герметичности замкового соединения, а также для экономии материала, предпочтительно, если шпунтовые замки 6 выполнены из прокатного профиля, и внутренняя полость, т.е. зев 10 каждого замка 6 имеет форму поперечного сечения, повторяющую форму поперечного сечения утолщенной боковой кромки 5 арочного элемента 4. Зев 10 каждого шпунтового замка 6 плотно охватывает утолщенную кромку 5 контактирующего с ним арочного элемента 4 с возможностью поворота на небольшой угол, приблизительно плюс-минус 15-20 градусов для компенсации погрешностей установки свай 2.
Утолщенные боковые кромки 5 каждого арочного элемента 4 размещены во внутренних полостях шпунтовых замков 6 смежных свай и опираются на сваи 2 через соответствующий шпунтовый замок.
Тонкостенный арочный элемент 4 в развернутом виде (фиг.3) представляет собой прямоугольник, выполненный из упругого листового материала, например из металла, с утолщениями 5 на обеих боковых кромках для обеспечения соединения со шпунтовыми замками 6 двух смежных свай 2.
Монтаж предлагаемой подпорной стенки выполняется в следующей последовательности.
Через специальные направляющие разбуривают в скальном основании стаканы-фиксаторы 3 диаметром, несколько превышающим диаметр свай 2. Стакан-фиксатор 3 фиксирует нижний конец сваи 2 в скальном основании.
Через направляющие (не показаны) опускают сваи 2 нижними концами в стаканы-фиксаторы 3 и раскрепляют в направляющих.
В полости свай 2 опускают арматурные каркасы (не показаны), которые при необходимости могут быть защемлены в скальном основании в дно стакана-фиксатора 3.
Затем методом подводного или обычного бетонирования заполняют полость свай 2 бетоном.
После набора не менее 75% прочности бетона опускают тонкостенные арочные элементы 4, размещая их утолщенные кромки 5 во внутренних полостях шпунтовых замков 6 и регулируя талрепами радиус кривизны арочных элементов 4 для компенсации незначительных отклонений, возможных при разбуривании отверстий для стаканов-фиксаторов и монтаже свай 2.
Арочные элементы 4 опускают до контакта с поверхностью скального основания и устанавливают без защемления, с обеспечением грунтонепроницаемости между нижней кромкой арочного элемента 4 и скальным основанием за счет каменной дренажно-разгрузочной призмы 11 и обратного фильтра 12. Шпунтовые замки 6 служат упорами для утолщенных боковых кромок 5 арочного элемента 4, выполняющих функцию ответных элементов замкового соединения.
Далее отсыпают каменную дренажно-разгрузочную призму 11 с устройством щебеночного обратного фильтра 12 для исключения выноса грунта засыпки через участки неплотного примыкания арочных элементов 4 к скальному основанию.
Затем производят отсыпку грунта первой очереди 13 в тело сооружения, устанавливают и бетонируют анкерные опоры 9, после чего монтируют анкерные тяги 8. После их натяжения производят отсыпку грунта второй очереди 14 в направлении строго от анкерной опоры 9 к лицевой стенке 1.
После обжатия всех элементов конструкции, стабилизации деформаций лицевой стенки приступают к устройству железобетонного оголовка 15, который одновременно выполняет функцию распределительного пояса и жестко защемляет верхние грани арочных элементов 4.
Для усиления конструкции полости свай 2 заполняют монолитным бетоном и армирующими каркасами (не показаны). Через анкерные тяги 8 эксплуатационные нагрузки от сооружения передаются на анкерные опоры 9.
Совместная работа свай 2 и арочных элементов 4 обеспечивается монолитным железобетонным оголовком 15 (фиг.1).
Причальное сооружение по предлагаемому изобретению работает следующим образом.
Давление собственного веса засыпки застенного пространства, а также эксплуатационных нагрузок, передается с арочных элементов 4 через шпунтовые замки 6 на сваи 2 с последующей передачей этих усилий на анкерные опоры 9 посредством анкерных тяг 8. При этом основной конструктивный элемент сооружения - арочный элемент 4, работает на сжатие и самоуплотняется в шпунтовых замках 6 свай 2 под действием рабочих нагрузок.
В зависимости от величины нагрузок и расстояния между сваями 2 подбирается радиус кривизны и толщина стенок арочных элементов 4 для различных используемых материалов (стальной лист, стекло, пластик или композитные материалы).
При расположении шпунтовых замков 6 согласно настоящему изобретению (фиг.2) на наружных поверхностях свай 2 в плоскостях, проходящих через центры свай 2 под углами соответственно плюс α и минус α градусов к плоскости, перпендикулярной продольной плоскости подпорной стенки в плане, нормальная составляющая силы, действующей на каждую сваю 2, уменьшается. Как видно на фиг.5, равнодействующая 2 R от воздействия эксплуатационных нагрузок и веса грунта распределяется на две смежные сваи. Усилие, приходящееся на один шпунтовый замок, равно R. Это усилие в точке контакта со сваей разлагается на две составляющие, а именно: усилие, проходящее через ось сваи в плоскости, параллельной плоскости лицевой стенки, равное Rsin α (продольная составляющая), и усилие, действующее перпендикулярно плоскости подпорной стенки и воспринимаемое непосредственно сваей, равное Rcos α. При равных условиях эта сила меньше, чем в прототипе, где все усилие от нагрузок целиком передается на сваю.
Продольные составляющие равнодействующей от внешних и грунтовых нагрузок, взаимно уравновешиваются, за исключением конечных свай, которые могут быть дополнительно укреплены (не показано).
Постоянная по высоте кривизна арочных элементов обеспечивает равномерное плотное прилегание утолщенных кромок к внутренней полости, т.е. к зеву 10 шпунтового замка, которое и обеспечивает герметичность соединения.
Устойчивость сооружения обеспечивается за счет защемления свай 2 в стаканах-фиксаторах 3, выполненных в скальном основании, и за счет анкерных опор 9, расположенных за пределами призмы обрушения грунта засыпки.
Вариант осуществления предлагаемого изобретения, при котором анкерные опоры 9 выполняют также забетонированными в скальный грунт, предпочтительнее с точки зрения достижения технического результата изобретения.
Основная задача изобретения, т.е. создание легкой конструкции подпорной стенки типа больверк, работающей на скальном грунте, имеющей низкую материалоемкость и хорошие показатели по грунтонепроницаемости при заданной несущей способности, осуществляется за счет отказа от конструкций гравитационного типа, традиционно применявшихся на скальных грунтах, и перехода к тонкостенной конструкции с минимальным защемлением в скальное основание не по всему фронту сооружения, а в отдельных точках, т.е. в точках расположения свай 2.
Благодаря выполнению элементов, воспринимающих нагрузки, в виде защемленных в грунте свай с замками на наружных поверхностях, смещенными на угол от 10 до 55 градусов по наружной поверхности трубы по направлению к оси подпорной стенки симметрично относительно плоскости, перпендикулярной плоскости подпорной стенки, обеспечивается менее материалоемкая легкая конструкция типа больверка с хорошими несущими характеристиками, причем давление внешних сил и веса грунта, воздействующее на арочные элементы, лишь частично передается на сваи, и далее через анкерные тяги - на анкерные опоры, выполненные в виде анкерных плит либо анкерных свай, забиваемых в грунт первой очереди засыпки сооружения, либо, согласно варианту осуществления предлагаемого изобретения, бетонируемых в скальный грунт.
Благодаря предлагаемому расположению шпунтовых замков на наружных поверхностях свай, упругим свойствам арочного элемента, распорные усилия в каждом арочном элементе, направленные к центрам смежных свай, способствуют большему уплотнению внутри замкового пространства и исключают унос грунта засыпки.
Предложенная конструкция подпорной стенки для скального грунта имеет низкую материалоемкость, экономична и обладает высокой несущей способностью.