Статический расчет подпорной стенки

Санкт-Петербургский государственный  политехнический университет

Инженерно-строительный факультет

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

Отделение «Строительство объектов туризма и спорта»

 

 

 

 

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ  РАБОТА №1

 

 

Дисциплина: Инженерные сооружения водного туризма

 

 

Тема: Статический расчет подпорной стенки, проверка общей устойчивости, выбор шпунтовых свай и определение диаметра анкерных тяг

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 5018/2                                                           Г.В.Егоров

Руководитель, ассистент                                                                Ю.Г. Дербин

 

                                               "___"__________ 2012 г.

 

 

 

г. Санкт-Петербург

2012 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные и расчётная схема

 

Таблица 1.1. Исходные данные

 

Характеристики грунтов

Н, м

h, м

q*, кПа

Засыпка

Основание

ρ1,

т/м³

φ1, град

φ 2, град

φ 3, град

с3, кПа

1,79

30

39

24

11

13,1

3,8

160


- плотность слоя грунта за  шпунтовой стенкой, т/м3 ;

- угол внутреннего трения  слоя грунта, град;

- сцепление грунта, кПа;

Н - свободная высота стенки, м;

h -  высота наданкеренной стенки, м.

В рамках учебного задания принимаем  q0=160 кПа.

Расчётная схема подпорной стенки приведена на Рис. 1.1 (см. приложения)

2. Статический расчёт больверка

Расчет выполняется графоаналитическим методом.

2.1. Глубина забивки шпунтовых свай

Назначаем ориентировочную глубину  забивки шпунтовых свай:

t=(0,7….0,8)Н,

где Н - свободная высота стенки, м;

t - ориентировочная глубина забивки шпунтовой сваи, м.

t=(0,7…0,8)Н=0,7∙13,1=9,17м.

Принимаем t=9,2м

2.2. Построение эпюры активного давления на шпунтовую стенку

Интенсивность давления грунта в характерных  точках (поверхность и границы  грунтов, низ шпунтовой стенки) вычисляем по формуле:

 

eai=[qo+Σ(ρi∙g∙hi)]∙λoi , (2.1)

 

где qo=160 кПа – расчетная равномерная нагрузка на поверхность грунта засыпки;

ρi – плотность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, т/м3;

g=9,8 м/с – ускорение свободного падения;

hi – мощность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, м;

λoi – коэффициент бокового давления грунта (распора).

 

λoi =tg2(45°-φi/2) , (2.2)

 

где φi – угол внутреннего трения i-ого слоя грунта, град.

 

Коэффициенты  бокового давления грунтов:

λo1 =tg2(45°-30°/2)=0,33

λo2 =tg2(45°-39°/2)=0,23

λo3 =tg2(45°-24°/2)=0,42

 

Вычисления абсцисс эпюры активного  давления грунта на шпунтовую стенку сводим в табличную форму.

Таблица 2.1. Вычисления абсцисс эпюры активного давления грунта

 

п/п

Отм. хар.

точки

м

qo кПа

ρi т/м3

h

м

ρi∙g∙hiкПа

Σ(ρi∙g∙hi)кПа

qo+Σ(ρi∙g∙hi)кПа

φi, град

λoi

eai

кПа

1

0

160

1,79

0

0

0

160

30

0,33

52,80

2

4,8

160

1,79

4,80

84,20

84,20

244,20

30

0,33

80,59

3

1,00

0

0

39

0,23

56,17

4

13,1

160

1,00

8,30

81,34

165,54

325,54

39

0,23

74,87

5

1,00

0

0

24

0,42

136,73

6

22,3

160

1,00

9,20

90,16

255,7

415,70

24

0,42

174,59


 

Третий слой обладает сцеплением с=11кПа, в пределах этого слоя грунта активное давление уменьшается на величину еа сц:

 

еасц3=2∙c3∙tg(45°-φ3/2) (2.3)

еасц3=2∙11∙tg(45°-24°/2)=14,29 кПа

 

Таким образом, значения активного  давления eai для 5 и 6 строки:

5) eai  - еасц3  =136,73 – 14,29 =122,44 кПа

6) eai  - еасц3  =174,59 – 14,29 =160,3 кПа 

Эпюра активного давления грунта представлена на Рис. 2.1 (см. приложения).

2.3. Построение эпюры пассивного давления грунта

Интенсивность давления грунта в характерных  точках вычисляется по формуле :

 

eп=[qo*+Σ(ρi∙g∙hi)]∙λпi∙ki ,   (2.4)

где qo*- распределенная нагрузка на поверхность грунта дна, кПа

(согласно исходным данным qo*=0);

λпi – коэффициент пассивного давления грунта (отпора):

 

λпi =tg2(45°+φi/2)  (2.5)

λп3 =tg2(45°+24°/2)=2,37

ki – коэффициент, учитывающий трение грунта о шпунтовую стенку и зависящий от ее материала и угла внутреннего трения грунта φi (принимается по таблице 2.2).

 

Таблица 2.2. Значения коэффициента k (шпунт из стали)

 

φ, град

10

15

20

25

30

35

40

k

1,2

1,4

1,6

1,7

1,8

2,0

2,3


При значениях φ не указанных  в таблице k определяют линейной интерполяцией.

φ3 = 24 град     k3 = 1,68

ρi – плотность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, т/м3;

g=9,8 м/с – ускорение свободного падения;

hi – мощность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, м.

Вычисления абсцисс эпюры пассивного давления грунта на шпунтовую стенку сводим в табличную форму.

 

 

Таблица 2.3. Вычисление абсцисс эпюры пассивного давления грунта

 

п/п

Отм. хар.

точки

м

qo*, кПа

ρi, т/м3

h, м

ρi∙g∙hi, кПа

Σ(ρi∙g∙hi), кПа

qo*+Σ(ρi∙g∙hi), кПа

φi, град

λпi

ki, кПа

eп, кПа

eai+eпсц3, кПа

7

13,1

0

1

0

0

0

0

24

2,37

1,68

0

0

8

22,3

0

1

9,2

90,16

90,16

90,16

24

2,37

1,68

358,98

392,86


 

Третий слой обладает сцеплением с3=11 кПа, в пределах этого слоя грунта пассивное давление увеличивается на величину епсц3:

епсц3=2∙c3∙tg(45°+φ3/2) (2.6)

епсц3=2∙11∙tg(45°+24°/2)= 33,88 кПа

Таким образом:

ea3 =358,98+33,88=392,86 кПа

 

Примечание: третий слой является поверхностным слоем, слагающем дно, и обладает сцеплением, поэтому в пределах слоя грунта мощностью 1 м от проектного дна сцепление увеличивает пассивное давление от нуля (на отметке дна) и до eп сц (на 1 м ниже дна).

Эпюра пассивного давления показана на Рис. 2.2 (см. приложения).

2.4. Построение результирующей эпюры давления грунта на стенку

Результирующая (суммарная) эпюра  давления грунта на стенку получается путем сложения эпюр активного еа и пассивного еп давлений.

Эпюра представлена на Рис. 2.2 (см. приложения).

Суммарную эпюру разбиваем по высоте на ряд полосок от 0,5 до 1,0 м (Рис. 2.3 Приложения) так, чтобы на всех отметках, где эпюра имеет изломы или скачки, были границы полосок.

2.5. Определение усилия в анкерной тяге

Рассматривая полоски независимыми, их действие заменяем сосредоточенными силами Ej, приложенными в центре тяжести каждой j-ой полоски (рис. 2.3 (см. приложения)). Силы Ej численно равны площадям соответствующих полосок.

2.6. Построение силового многоугольника

Силовой многоугольник представлен на рис. 2.3 (см. приложения). Полюс силового многоугольника «0» размещен на вертикали, проходящей около середины отрезка, а полюсное расстояние принимается равное его половине. Начало и конец каждой силы Ej силового многоугольника соединены лучами с полюсом «0».

2.7. Построение веревочного многоугольника

Веревочный многоугольник строится параллельным переносом лучей силового многоугольника на поле горизонтальных линий действия Ej сил (первый луч проводится до линии действия силы Е1; второй луч – из полученной точки пересечения до линии действия силы Е2 и т.д.). При этом первый луч продлевается до пересечения с горизонтальной линией, проходящей на отметке крепления анкеров к шпунтовой стенке. Замыкающая веревочного многоугольника проходит через точку “А” таким образом, чтобы максимальный изгибающий момент нижней части эпюры у1 был на 10% меньше максимального изгибающего момента пролетной части стенки у2 (рис. 2.4 (см. приложения)).

Точка “В” пересечения замыкающей с веревочным многоугольником (рис. 2.4 (см. приложения)) определяет необходимую глубину забивки стенки to. Полную глубину забивки шпунтовых свай t можно принимать равной:

t = (1,15 … 1,20)to

to ≈ 6,00 м

t= 1,2∙6,00 ≈ 7,2 м

2.8. Определение значения максимального изгибающего момента

Числовое значение максимального  изгибающего момента на один погонный метр шпунтового ряда определяют по формуле:

Mmax = η∙y1,  (2.7)

где η – полюсное расстояние на силовом многоугольнике, выраженное в масштабе сил, кН/м;

Из рис. 2.4 (см. приложения) η = 498,9 кН/м;

у1 – расстояние, получаемое на веревочном многоугольнике, в линейном масштабе расчетной схемы больверка, м.

Из рис. 2.5 (см. приложения) у1= 1,56 м;

Mmax=498,9∙1,56 = 778,28 кН∙м

Параллельным  переносом замыкающей с веревочного многоугольника на силовой на рис. 2.4 (см. приложения) получаем величину усилия в анкерной тяге на один погонный метр набережной Ra , кН/м (отрезок от начала силового многоугольника до точки пересечения его с замыкающей – в масштабе сил):

Ra =710,82 кН/м

3. Подбор шпунтовых свай и определение диаметра анкерной тяги

Расчетные значения изгибающих моментов, по которым следует подбирать  шпунтовые сваи из сортамента, определяются по формуле:

Мmaxрасч (qo) = Mmax∙k1 ,  (3.1)

где k1 – поправочный коэффициент, учитывающий приближенность теоретического расчета и экспериментальных данных.

k1 = 0,77 – 0,37 h/H ,           (3.2)

где h – высота наданкерной консоли, м;

H – свободная высота причальной стенки, м;

k1=0,77 - 0,37∙3,8/13,1=0,66

Мmaxрасч (qo) =778,28∙0,66=513,66 кН∙м

Шпунтовые сваи подбирают согласно моменту  сопротивления одного погонного  метра стенки, вычисляемого по правилам сопротивления материалов при изгибе (допускаемые напряжения для стальных свай принимаем равными 160 МПа):

[σ]=M/W ,                    (3.3)

где M – расчетное значение изгибающего момента, кН

W – момент сопротивления одного погонного метра стенки

W = M/[σ] = 513,66/160000=3,21*10־º³ м3=0,00321 м3   

По Приложению 2 [1] подбираем стальные шпунтовые сваи Z-ого профиля FSPZ-38 со следующими техническими характеристиками:

    • ширина b=0,4 м
    • высота h=0,364 м
    • момент сопротивления W=0,0038 м3

Расчетные значения усилий в анкерных тягах определяются по формуле:

Ra(qo)=Ra∙k2∙d ,             (3.4)

где k2 – коэффициент, учитывающий податливость анкерных закреплений, неравномерность натяжения анкерных тяг, способ возведения стенки и т.п.

k2 = 1,2 + 0,25 h/H           (3.5)

d – шаг анкерных тяг, назначаемый согласно размерам шпунтовых свай от 1,5 до 3 м.

Принимаем d=1,6 м и шаг анкерных тяг через 4 сваи.

k2=1,2+0,25∙3,8/13,1=1,273

Ra(qo)= 710,82∙1,273∙1,6=1447,8 кН/м

Диаметр анкерной тяги, работающей на растяжение, определяем по правилам сопротивления материалов. Допускаемые напряжения принимаем равными 160 МПа.

πD2/4 = Ra(qo)/[σ]                 (3.6)

Из выражения (3.6) определяем диаметр анкерной тяги:

D= = =0,107 м

4. Проверка общей устойчивости подпорной стенки

Проверка общей устойчивости сооружения выполняется по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Этот метод базируется на факте, что обрушение подпорных сооружений при потери общей устойчивости происходит по поверхности, достаточно близкой к цилиндрической.

При скольжении по цилиндрической поверхности, грунт, окружающий стенку, скользит вместе со стенкой как одно целое без каких-либо относительных сдвигов внутри перемещающейся массы.

Расчетные зависимости выводятся из анализа  сил, действующих на некоторый (i-ый), выделенный двумя вертикальными плоскостями, элемент сдвигаемого грунтового массива шириной b на один погонный метр стенки.

  1. Приводим сдвигающийся массив к однородному с плотностью грунта, находящегося во взвешенном состоянии (в данном случае ρо= ρ23=1 т/м3). Для этого интенсивность нагрузки над расчетным уровнем воды равную qo+Σ(ρi∙g∙hi) приводим к высоте hприв эквивалентного слоя грунта с плотностью ρо=1 т/м3.

hприв = (qo+ Σ(ρi∙g∙hi))/( ρо∙g)               (4.1)

hприв = (160+1,79∙4,8∙9,81))/(1∙9,81)=24,9м

Высоту hприв откладываем вверх от расчетного уровня воды и получаем ограничение однородного сдвигаемого массива грунта с плотностью 

ρо=1 т/м3.

  1. Определяем координаты центра и радиус кривой скольжения по приближенному методу Феллениуса.

Абсолютные координаты Xo и Yo равны:

Xo=xH; Yo=yH ,                                   (4.2)

где x и y – относительные координаты центра О, определяемые по таблице №4 [1, с. 22].

 Δh/H=20,09/13,1≈1;

 Tшп/H=9,2/13,1≈1

Соответственно: х=0,44, у=0,57.

Xo=0,44∙13,1=5,76 м

Yo=0,57∙13,1=7,47 м

Радиус поверхности скольжения определяем проведением ее через низ шпунтовой стенки.

  1. Определяем наихудшее для устойчивости положение временной равномерно распределенной нагрузки qo. Для этого из точки О проводим радиус R под углом φ3 к вертикали до пересечения с поверхностью скольжения.

Из полученной точки восстанавливаем вертикаль, до которой от линии кордона нагрузку qо в расчете не учитываем.

  1. Ограничиваем эпюру проведенных нагрузок в тыловой ее части. Для этого расчетный уровень воды на водоеме продолжаем вправо до пересечения с поверхностью скольжения и из полученной точки пересечения проводим вертикаль до верха эпюры приведенных нагрузок. Рассматриваем вертикаль, проходящую через точку пересечения поверхности скольжения с отметкой территории порта. Приведенная высота на этой вертикали равна:

hприв, v = qo/(ρ3∙g),           (4.3)

где qo = 160 кПа

hприв, v = 160/(1∙9,8)=16,33 м

Две последние точки соединяем  прямым отрезком.

  1. Всю сдвигающуюся призму грунта разбиваем на полоски равной ширины b=0,1∙R, а первую полоску располагаем так, чтобы ее центр тяжести попал на вертикаль, опущенную из центра поверхности скольжения.

b=0,1∙30,32=3,03 м

  1. Для каждой полоски вычисляем значение:

gi=hiig ,                     (4.4)

где hi – средняя высота i-ой полоски, снимаемая с чертежа (рис. 5 (см. приложения)), м

Коэффициент запаса общей устойчивости сооружения “К” равен отношению суммы моментов сил сопротивления сдвигу к сумме моментов сил сдвигающих:

 , (4.6)

где hi - средняя высота i-ой полоски, снимаемая с чертежа, м

φi – угол внутреннего трения грунта, град

с – сцепление грунта, кПа

L – длина дуги, на которой действует сцепление, м

L=0,0175∙β∙R,                                                (4.7)

где β – центральный угол, опирающийся на дугу L, град.

L=0,0175∙95∙30,32=50,41 м

Разделив числитель и знаменатель выражения (4.6) на ρ0gb  получаем:

     (4.8)

Дальнейшие расчеты сводим в  табличную форму.

 

 

Таблица 4.1. Результаты вычислений коэффициента запаса общей устойчивости сооружения

 

hi

ri

hi ri

sin(αi)

cos(αi)

φi

tg(φi)

hi cos(αi) tg(φi)

полосок

1

9,75

0,00

0,00

0,000

1,000

24

0,445

4,341

2

9,6

3,03

29,09

0,105

0,995

24

0,445

4,251

3

22,24

6,06

134,77

0,208

0,978

24

0,445

9,686

4

41,56

9,09

377,78

0,292

0,956

24

0,445

17,695

5

40,42

12,12

489,89

0,407

0,914

24

0,445

16,440

6

38,9

15,15

589,34

0,500

0,866

24

0,445

14,999

7

36,9

18,18

670,84

0,602

0,799

24

0,445

13,121

8

34,3

21,21

727,50

0,695

0,719

24

0,445

10,985

9

30,85

24,24

747,80

0,799

0,602

39

0,810

15,034

10

25,89

27,27

706,02

0,899

0,438

39

0,810

9,191

11

9,6

3,03

29,09

0,105

0,995

24

0,445

4,251

12

9,14

6,06

55,39

0,208

0,978

24

0,445

3,980

13

8,36

9,09

75,99

0,292

0,956

24

0,445

3,559

14

7,22

12,12

87,51

0,407

0,914

24

0,445

2,937

15

5,7

15,15

86,36

0,500

0,866

24

0,445

2,198

16

3,7

18,18

67,27

0,602

0,799

24

0,445

1,316

17

1,1

21,21

23,33

0,695

0,719

24

0,445

0,352

     

4897,96

       

134,336


 

Подставляем все полученные значения в выражение (4.8):

 

Для обеспечения устойчивости необходимо соблюдения условия К>1.

К=0,95 – условие не выполняется, следовательно подпорная стенка неустойчива.

В рамках выполнения задания разрешено выполнить расчет только для одного центра скольжения.

 

Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература

 

  1. Ю.А. Перевязкин. Часть 2. Подпорные стенки: Методические указания по выполнению практических работ/Ю. А. Перевязкин. – СПб.: СПГУВК, 2007 – 45 с.
  2. Конспект лекций по дисциплине «Инженерные сооружения водного туризма» за 1 семестр.

 

  1. Определение допустимой эксплуатационной нагрузки

1.1. Исходные данные и расчётная  схема подпорной стенки

 

Таблица 1.1. Исходные данные

 

Характеристики грунтов

Н, м

h, м

q0, кПа

q*, кПа

Координаты полос загружения в долях от «B»

Засыпка

Основание

ρ1,

т/м³

φ1, град

φ 2, град

φ 3, град

с3, кПа

x1

x2

x*1

x*2

1,87

32

30

21

17

11,4

3,3

40

160

0

0,15

0,5

0,8


- плотность слоя грунта за  шпунтовой стенкой, т/м3 ;

- угол внутреннего трения  слоя грунта, град;

- сцепление грунта, кПа;

Н - свободная высота стенки, м;

h -  высота наданкеренной стенки, м.

В рамках учебного задания принимаем  q0=40 кПа.

Расчётная схема подпорной стенки приведена на Рис. 1.1 (см. приложения).

    1. Определение координат x1, x2, x1*, x2* полосовых нагрузок

Координаты x1, x2, x1*, x2* определены исходными данными в долях от ширины активной зоны “B”.

Ширину активной зоны “B”, в пределах которой нагрузку нормируют по условию прочности и устойчивости подпорного сооружения, можно вычислить по формуле:

где hi – мощность i-тых слоёв грунта от отметки поверхности грунта засыпки до отметки, на которой изгибающий момент в шпунтовой стенке M2=ηy2 достигает наибольшего значения;

Полученное числовое значение “B” округлим до целого числа метров в большую сторону:

Далее определим числовые значения координат полос загружения x1, x2, x1*, x2* и на расчётной схеме сооружения покажем положение фактической q*( x1*, x2*) и искомой q( x1, x2) нагрузок.

    1. Общая формула расчёта

При известной схеме загружения подпорной стенки в активной зоне, общая формула расчёта может  быть представлена в виде:

,

где q( x1, x2) – искомая максимально возможная нагрузка на полосе с координатами x1, x2 при сложившейся эксплуатационной грузовой ситуации, кПа;

[q( x1, x2)] – допускаемая нагрузка на полосе с координатами x1, x2, кПа;

q0(O,B) – проектная равномерно распределённая нагрузка в активной зоне “B”, кПа (в нашем случае 40 кПа);

- сумма эквивалентных равномерно  распределённых нагрузок на полосе  с воординатами “O, B” от имеющихся на поверхности засыпки полосовых нагрузок, кПа.

В нашем случае:

,  

Эквивалентной называют такую равномерно распределённую нагрузку в активной зоне (O, B), которая создаёт в лимитирующих элементах конструкции подпорного сооружения такие же приращения напряжений, какие возникают от воздействия известных полосовых нагрузок.

 

Построение  эпюры активного давления грунта при q=0.

Таблица 2.1. Вычисления абсцисс эпюры  активного давления грунта

 

п/п

Отм. хар.

точки

м

qo кПа

ρi т/м3

h

м

ρi∙g∙hiкПа

Σ(ρi∙g∙hi)кПа

qo+Σ(ρi∙g∙hi)кПа

φi, град

λoi

eai

кПа

1

0

0

1,79

0

0

0

0

30

0,33

0

2

4,3

0

1,79

4,80

84,20

84,20

84,20

30

0,33

27,78

3

1,00

0

0

39

0,23

19,36

4

7,1

0

1,00

8,30

81,34

165,54

165,54

39

0,23

38,07

5

1,00

0

0

24

0,42

69,52

6

16,22

0

1,00

9,20

90,16

255,7

255,7

24

0,42

107,39


 

Третий слой обладает сцеплением с=17кПа, в пределах этого слоя грунта активное давление уменьшается на величину еа сц:

 

еасц3=2∙c3∙tg(45°-φ3/2) 

еасц3=2∙17∙tg(45°-21°/2)=22,08 кПа

 

Таким образом, значения активного  давления eai для 5 и 6 строки:

5) eai  - еасц3  =69,52  – 22,08 =47,44 кПа

6) eai  - еасц3  =107,39 – 22,08 =85,31 кПа 

Эпюра активного давления грунта представлена на Рис. 2а (см. приложения).

Построение  эпюры пассивного давления грунта при q=0.

Интенсивность давления грунта в характерных точках вычисляется по формуле :

 

eп=[qo*+Σ(ρi∙g∙hi)]∙λпi∙ki ,   

где qo*- распределенная нагрузка на поверхность грунта дна, кПа

(согласно исходным данным  qo*=0);

λпi – коэффициент пассивного давления грунта (отпора):

 

λпi =tg2(45°+φi/2)  

λп3 =tg2(45°+24°/2)=2,37

ki – коэффициент, учитывающий трение грунта о шпунтовую стенку и зависящий от ее материала и угла внутреннего трения грунта φi (принимается по таблице 2.2).

 

Таблица 2.2. Значения коэффициента k (шпунт из стали)

 

φ, град

10

15

20

25

30

35

40

k

1,2

1,4

1,6

1,7

1,8

2,0

2,3


При значениях φ не указанных  в таблице k определяют линейной интерполяцией.

φ3 = 24 град     k3 = 1,68

ρi – плотность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, т/м3;

g=9,8 м/с – ускорение свободного падения;

hi – мощность i-ого слоя грунта за шпунтовой стенкой, м.

Вычисления абсцисс эпюры пассивного давления грунта на шпунтовую стенку сводим в табличную форму.

 

Таблица 2.3. Вычисление абсцисс эпюры пассивного давления грунта

 

п/п

Отм. хар.

точки

м

qo*, кПа

ρi, т/м3

h, м

ρi∙g∙hi, кПа

Σ(ρi∙g∙hi), кПа

qo*+Σ(ρi∙g∙hi), кПа

φi, град

λпi

ki, кПа

eп, кПа

eai+eпсц3, кПа

7

0

0

1

0

0

0

0

23

2,37

2,28

0

0

8

9,12

0

1

9,12

91,2

91,2

91,2

23

2,37

2,28

153,03

207,93