обратная засыпка подпорных стен
Проектирование подпорных стен
Проектирование подпорных стен во многих случаях выполняется на низком техническом уровне, что приводит к обрушениям, имеющим катастрофические последствия. Доказательством сказанному является количество заявок на ремонт, реконструкцию и усиление подпорных стен (смотри, например, здесь). Цель данной статьи заключается в том, чтобы на конкретном примере показать ошибки проектирования подпорной стены, и показать на этом же примере правильные проектные решения.
Разбор ошибок проектирования подпорных стен
Рассмотрим процесс проектирования подпорной стены на конкретном примере. На одном из объектов произошло обрушение подпорной стены, удерживающей придомовую парковку (см. рис. 1). В результате обрушения был причинён экономический ущерб владельцам автомобилей, а также возникли риски разрушения грунтовых оснований объектов окружающей застройки.
Важно заметить, что до обрушения жители дома наблюдали признаки (трещины на асфальте вдоль подпорного сооружения), явно указывающие, что подпорная стена разрушается. К сожалению, эксплуатирующие службы не среагировали должным образом на обращения жителей, что и стало одной из причин последующего обрушения.
В ходе оперативного и последующего детального обследования было установлено, что основная причина обрушения – ошибки проектирования. Ошибки строительства тоже имелись, но они не имели определяющего характера. Таким образом, обрушение подпорной стены произошло по двум основным причинам – неправильно запроектировали, неправильно эксплуатировали.
Ниже приведем некоторые технические характеристики обрушившейся подпорной стены (см. рис. 2-3):
Выполненные расчеты устойчивости (рис. 4-5) обрушившейся подпорной стены показали, что не было ни малейшего шанса на безаварийную эксплуатацию. Коэффициент устойчивости системы:
Таким образом, основная причина обрушения рассматриваемой подпорной стены – это проектирование без расчетов или с неправильными расчетами.
Вторая причина обрушения – полное игнорирование наличия в основании набухающих грунтов, которые при повышении влажности увеличиваются в объеме – набухают, а при последующем понижении влажности происходит обратный процесс – усадка.
Очевидно, что говорить о сейсмостойкости данной подпорной стены не приходится.
Строго говоря, проект обрушившейся подпорной стены даже не учитывал конструктивные требования СП 381.1325800.2018 «Сооружения подпорные. Правила проектирования», поэтому обрушение такой стены было вопросом времени.
Конструкции подпорных стенок и способы возведения
Основная задача подпорной стенки — держать грунт на склоне. Но это общее назначение, существует несколько признаков, которые лежат в основе классификации видов этого сооружения.
Виды подпорных стенок
В промышленном строительстве и в сельском хозяйстве подпорную стенку рассматривают как инженерную конструкцию, в ландшафте загородного участка она выполняет и эстетическую функцию. Классификацию видов стенок проводят по нескольким критериям.
По назначению
В зависимости от назначения выделяют следующие три вида:
Особенность частного дома с участком на склоне в том, что подпорная стенка довольно часто выполняет все функции одновременно. Поэтому материал для конструкции выбирают исходя из нагрузки, условий эксплуатации и декоративных качеств. Но в этом случае возникает некоторое противоречие.
По материалам
Как правило, высокие несущие способности и эстетический вид трудно совместить в одной конструкции. Особенно когда она служит одним из центральных элементов ландшафта. Приходится искать компромисс, и когда расчетная высота стенки получается довольно высокой, лучше сделать каскад из нескольких низких террас с опорными стенками из материала, который более точно соответствует стилю ландшафтного дизайна.
Есть следующие виды материалов:
По виду конструкции
Различают следующие варианты конструкции подпорных стенок:
Забор — подпорная стенка в одном
По способу обеспечения устойчивости
Подпорная стенка состоит из подземной части (фундамента) и наземной части. На нее действуют такие силы:
Первые три силы обеспечивают устойчивость конструкции, последняя — стремится стенку сдвинуть и опрокинуть.
По способу достижения устойчивости выделяют следующие варианты конструкции:
Общие рекомендации по строительству своими руками
Возведение своими руками оправдано для низких и средних по высоте конструкций. Рекомендованная высота подпорных стенок для приусадебных участков лежит в пределах 0.3-1.4 м. При соблюдении определенных условий, конструкции можно возводить без предварительного расчета:
Строительство подпорной стенки
Ниже приведен общий алгоритм строительства стенок из разных материалов.
Из монолитного железобетона
Пошаговый алгоритм строительства выглядит так:
После созревания бетона опалубку снимают, проводят обратную засыпку грунта в пазухи траншеи и за стенку со стороны склона.
Из сборного бетона
Технология сооружения зависит от вида бетонных блоков. Если используют фундаментные блоки, то их укладывают на подготовленное основание в виде песчано-гравийной подушки.
Блоки серии ФБС скрепляют между собой кладочным раствором, а блоки серии БПС монтируют на сухую.
Кроме фундаментных блоков есть и другие материалы, которые позволяют быстро и без «мокрых» процессов соорудить подпорную стену из сборного бетона.
Очень интересный продукт предлагают компании Geoblok и Tenax. Они разработали систему блочных подпорных стен армированных георешеткой. В ее состав входят:
Технология изготовления подпорной стены выглядит так:
Блоки выпускают окрашенными в массе, но, при желании, их можно облицевать любой плиткой для наружных работ — шероховатая поверхность лицевой части обеспечивает хорошую адгезию с клеевыми растворами. Как утверждает компания, система армогрунтованных блочных подпорных стен рассчитана на 120 лет эксплуатации.
Из камня и строительных блоков
Несмотря на разнообразие видов строительных блоков и размеров камня, технология строительства в каждом случае имеет схожую последовательность выполнения работ:
Из дерева
Обустройство подпорной стенки из дерева чем-то напоминает забор (стену) из бревна или пиломатериалов большого сечения. Это может быть:
В заключение. Строительство подпорной стены из габионов ничем не отличается от других ландшафтных и укрепляющих конструкций с использованием проволочных сеток и засыпки из обломков скального грунта, крупного щебня или гальки. А подпорная стенка из профлиста проходит по такому же алгоритму, что и строительство забора (с учетом нагрузок на несущие столбы или винтовые сваи).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДПОРНЫХ СТЕН
Дренаж подпорных стен
К таким негативным эффектам следует отнести появление барражного эффекта и рост гидростатического давления на подпорные стены. Барражный эффект (барраж) — явление поднятия уровня грунтовых вод. Барраж вызывается появлением на пути подземного потока преграды в виде заглублённого сооружения. При этом если с одной стороны сооружения (верховой) уровень грунтовых вод поднимается, то с противоположной стороны (низовой) — опускается. В результате сооружение начинает испытывать дополнительную гидростатическую нагрузку, не учтенную в проекте.
Основной мерой, направленной на предотвращение описанных явлений, служит разработка в проектной документации различных дренажных мероприятий.
Собственно дренаж предусматривается в проекте для понижения поверхности грунтовых вод. Если защищаемым объектом являются гравитационные подпорные стены набережных, то дренаж обычно не применяется — ввиду массивности конструкции и большого запаса по надежности. Также дренаж редко закладывается при проектировании подпорных стен на толстой щебёночной или каменной постели — в этом случае сама постель выполняет дренирующие функции.
Для отвода стока дренажной сети в подпорных стенах устраиваются дренажные выпуски. Сброс стока ведется в ливневую канализацию или, если это набережная, под отметку нижней кромки льда в водотоке.
Практически все дренажные системы по мере длительной эксплуатации склонны к засорению. Это происходит даже с правильно запроектированными дренажами. Причиной этому является невозможность в ряде случаев предотвратить выпадение мельчайших частиц грунта в осадок на дне труб. Именно по это причине сбросные участки дренажных систем и систем поверхностного стока не совмещаются вместе. Для очистки дренажа в проекте предусматривается возможность его ограниченного ремонта.
Конструкция дренажной линии подпорной стены в простейшем случае представляет собой грунтовую призму, которая примыкает к тыловой (засыпаемой грунтом) грани стены. По длине призмы с шагом около 5 м размещаются дренажные выпуски — трубы диаметром 200 мм. Эти трубы с выходной стороны защищаются небольшими сетками. Если в грунтовой призме укладывается дренажная перфорированная труба, то такой дренаж называется трубчатым. У трубчатого дренажа дренажные выпуски устраиваются существенно реже — только в характерных местах подпорной стены (повороты, концевые открылки и т.п.). Вокруг трубы выполняется обратный фильтр. Если в качестве материала обратной засыпки подпорной стены выступает мелкозернистый песок, то идеальным вариантом обратного фильтра может быть следующая последовательность из четырёх слоёв (начиная от наружного): среднезернистый песок (толщина 250 мм), гравелистый песок (толщина 250 мм), щебень фракции 20—40 мм (толщина 500 мм), камень крупностью 150—200 мм (толщина 500 мм). Продольный уклон дренажной трубы принимается не менее 0,002 для глинистых грунтов и 0,003 для песчаных грунтов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие Технические указания содержат необходимые требования к расположению подпорных стен, материалам для их возведения, а также указания по конструированию и расчету всевозможных типов подпорных стен, возводимых на естественных основаниях для поддержания откосов насыпей и выемок железных и автомобильных дорог.
Технические указания разработаны во Всесоюзном научно-исследовательском институте транспортного строительства на основе обобщения накопленного опыта проектирования, строительства и эксплуатации подпорных стен.
Обобщение материалов и подготовка текста Технических указаний осуществлены кандидатами техн. наук К.С. Завриевым (ЦНИИС) и Г.С. Шпиро (ВЗПИ) с участием инженеров А.А. Кочарова (Кавгипротранс), К.В. Харитова, И.А. Хазана (Союздорпроект), канд. техн. наук Н.М. Глотова и инж. Н.М. Бибиной (ЦНИИС).
В Технических указаниях учтены замечания и пожелания Технического управления и Главтранспроекта Минтрансстроя, а также Научно-технического совета и ЦНИИ МПС.
Технические указания согласованы с Научно-техническим советом МПС.
Замечания по Техническим указаниям просим направлять по адресу: Москва, И-329, Игарский проезд, 2, ЦНИИС.
Министерство транспортного строительства
Ведомственные строительные нормы
Технические указания по проектированию подпорных стен для транспортного строительства
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Технические указания распространяются на проектирование подпорных стен, возводимых на естественных основаниях для поддержания откосов насыпей (низовые стены) и выемок (верховые стены) железных и автомобильных дорог. Указания не распространяются на проектирование подпорных стен специального назначения: противооползневых, противообвальных, морских и волноотбойных, речных берегоукрепительных, а также всех типов стен, сооружаемых в. районах вечной мерзлоты.
1.3. Подпорные стены в течение всего срока службы должны обеспечивать безопасность и бесперебойность нормального движения транспорта, а также простоту и наименьшую трудоемкость их содержания в процессе эксплуатации.
1.4. Местоположение подпорной стены и ее конструкция должны устанавливаться в проекте на основании технико-экономического сравнения вариантов.
1.5. Подпорные стены, сооружаемые в населенных пунктах, следует проектировать с учетом архитектурных особенностей этих пунктов.
Внесены Всесоюзным научно-исследовательским институтом транспортного строительства (ЦНИИСом)
Утверждены Техническим управлением Минтрансстроя
1 июня 1970 г. Приказ № 44
Срок введения
1 октября 1970г.
1.6. Подпорные стены допускается возводить из железобетона, бетона (бутобетона), а также из камня на цементном растворе.
2. КОНСТРУИРОВАНИЕ
Конструкции подпорных стен могут выполняться монолитными, сборными и сборно-монолитными.
На кривых участках минимальное расстояние от оси ближайшего железнодорожного пути до подпорной стены, расположенной в выемке или полувыемке с внешней стороны кривой, необходимо увеличивать согласно табл. 1.
Линии I и II категорий
Линии III и IV категорий
Увеличение расстояния, м
Увеличение расстояния, м.
Расстояние от оси ближайшего железнодорожного пути до верхней наружной грани низовой подпорной стены, м, при виде грунта земляного полотна
Все грунты, за исключением перечисленных в следующей графе
Грунты скальные, крупнообломочные и песчаные (кроме мелких и пылеватых песков)
b = 1,524 м-ширина колеи;
2.5. Толщина подпорной стены и ее отдельных элементов должна быть не менее:
2.7. Подпорные стены необходимо разделять сквозными вертикальными швами (на всю высоту стены, включая фундамент) на секции длиной от 6 до 20 м. Швы следует располагать так, чтобы подошва каждой секции опиралась на однородный грунт.
Стены на автомобильных дорогах допускается делить на секции длиной менее 6 м, при условии специального обоснования приведения давлений от каждого ряда колес автотранспорта (на призме обрушения) к нагрузке, распределенной на сплошной полосе (см. п. 4.5).
2.8. В продольном направлении подошву подпорной стены следует располагать на горизонтальной площадке или на уклоне до 0,02. При уклоне местности свыше 0,02 необходимо стену устраивать со ступенчатой подошвой.
2.9. Глубина заложения подошвы фундамента подпорной стены при непучинистых нескальных грунтах в основании должна быть не менее 1 м, а при прочих грунтах должна, кроме того, не менее чем на 0,25 м превышать расчетную глубину промерзания грунта. При опирании на скальные грунты глубина заложения подошвы фундамента должна быть не менее 0,25 м.
Глубина заложения подошвы фундамента определяется для верховой подпорной стены от дна кювета, а для низовой от поверхности грунта (по нормали к ней).
Допускается при грунтах в основании, подверженных пучению, проектировать фундамент такой же глубины, как и в случае непучинистых нескальных грунтов при условии, что под подошвой фундамента до глубины, на 0,25 м превышающей глубину промерзания, устроена специальная подушка из утрамбованного песка или щебня.
К подверженным пучению грунтам относятся суглинки, супеси, пылеватые и мелкие пески, а также крупнообломочные грунты, содержащие частицы размером 0,1 мм в количестве 30 % по весу и более.
2.10. При проектировании конструкций железобетонных и бетонных подпорных стен следует выполнять требования «Указаний по проектированию железобетонных и бетонных конструкций железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб» (СП 365-67), предъявляемые к железобетонным и бетонным конструкциям мостов.
2.11. Для облицовки подпорной стены из природного камня допускается применять камни той же марки, что и для кладки, при условии удовлетворения требованиям морозостойкости, но с подбором лучших камней, приколом их и более тщательной разделкой швов.
2.13. Для повышения устойчивости стены против опрокидывания в ее конструкции со стороны засыпки предусматривают консольный выступ (разгрузочную консоль); для повышения устойчивости против скольжения устраивают также шпору в подошве стены или этой подошве придают уклон, при котором ее скольжению по грунту сопротивляется сила веса стены.
2.14. Обратную засыпку за подпорными стенами рекомендуется производить крупнообломочными грунтами, а также песками: гравелистыми, крупными или средней крупности.
2.15. Поверхности подпорных стен, соприкасающиеся с грунтом (кроме подошвы фундамента), следует покрывать гидроизоляцией, например, горячим битумом (за 2 раза). Для обеспечения учитываемых в расчете сил трения между грунтом и этими поверхностями их следует делать неровными. При бетонных и железобетонных стенах этого можно достичь, смещая горизонтально расположенные соседние доски опалубки относительно друг друга на 0,5 – 1,0 см.
2.16. За подпорной стеной на высоте не менее 0,5 м над дном кювета (для верховых стен) или поверхностью грунта (для низовых стен) следует устраивать продольный дренаж (с уклоном не менее 0,04) из камня, щебня или гравия. В основании дренажа должна быть дана подготовка из слоя жирной глины или уложены сборные железобетонные желоба. В теле подпорной стены не реже чем через 2 м необходимо предусмотреть окна или трубки для выпуска воды из дренажа.
При подпорных стенах ряжевой сквозной конструкции продольный дренаж не устраивается.
2.17. На выступах стен и разгрузочных консолях следует устраивать сливы. Сливы, расположенные со стороны грунта, покрывают слоем камня и крупного песка.
2.18. В подпорных стенах, возводимых в выемках железнодорожного пути, через 300 м с каждой стороны устраивают камеры шириной 6 м, глубиной 2,5 м и высотой 2,8 м, располагаемые в шахматном порядке. В промежутках между камерами через каждые 50 м предусматривают ниши шириной 3 м, глубиной 1 м и высотой 2 м.
2.19. При проектировании подпорных стен для электрифицируемых участков железных дорог следует предусмотреть возможность установки опор контактной сети (например, путем устройства в конструкциях подпорных стен специальных ниш, консолей или уширений).
2.20. На низовых железнодорожных подпорных стенах, имеющих длину более 25 м или (независимо от длины) возводимых в пределах станций, необходимо предусмотреть перила по типу перил на мостах. При длине таких стен более 50 м, кроме того, через каждые 50 м следует устраивать площадки-убежища. Площадки-убежища у стен, находящихся по обеим сторонам пути, следует располагать в шахматном порядке.
2.21. На низовых автодорожных подпорных стенах при горизонтальной поверхности засыпки следует предусмотреть ограждение барьерного типа (из железобетонных брусьев, в виде парапета и т.п.).
3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА
3.1. Подпорные стены рассчитывают по трем предельным состояниям.
По первому предельному состоянию выполняют расчеты:
а) устойчивости стены против опрокидывания и скольжения;
б) прочности стены (по материалу);
в) прочности основания под подошвой фундамента стены. По второму предельному состоянию проверяют положение равнодействующей внутренних сил в сечении по подошве фундамента.
По третьему предельному состоянию проверяют положение равнодействующей внутренних сил в поперечных сечениях каменных и бетонных стен и рассчитывают на трещино-стойкость железобетонные стены.
3.2. Расчет подпорной стены выполняют как плоской системы. При расчете рассматривают участок стены длиной 1 м. Нагрузки, действующие на стену и на поверхность грунта за стеной, приводят к рассматриваемому участку стены.
3.4. Расчет устойчивости всей стены против опрокидывания производят по формуле
При определении Моп момент опрокидывающей силы или ее составляющей, не совпадающий с направлением опрокидывания, учитывают со знаком минус; аналогично учитывают при определении Мпр момент удерживающей силы или ее составляющей, совпадающий с направлением опрокидывания.
Коэффициент условий работы т в формуле (1) принимают равным 0,7 при нескальном грунте в основании стены и 0,8 при скальном.
3.5. Расчет устойчивости всей стены против скольжения производят по формуле
где Тсд — проекция сдвигающих сил на плоскость скольжения;
Коэффициент условий работы т принимают равным 0,9 в случаях расчета верховых подпорных стен на автодорогах и равным 0,8 в остальных случаях.
Расчет устойчивости стен против скольжения производят в предположении, что скольжение происходит по плоскостям, показанным стрелками на рис. 2. При этом пассивный отпор учитывают до глубины расположения линии пересечения передней грани фундамента стены с предполагаемой плоскостью скольжения (точки 0 на рис. 2).
3.6. Стены, расположенные на крутых косогорах, а также все стены высотой более 7 м следует рассчитывать на устойчивость против скольжения (совместно с грунтом) по круглоцилиндрической поверхности. В случае расположения под несущим слоем грунта пласта глины или прослойки водо-насыщенного песка, подстилаемого глиной, такой расчет необходимо выполнять и для стен высотой от 3 до 7 м. Очертание круглоцилиндрической поверхности следует принимать таким, чтобы эта поверхность касалась подошвы фундамента (рис.3) или проходила ниже ее. Такой расчет производят в следующем порядке.
При произвольной круговой линии скольжения (линии пересечения круглоцилиндрической поверхности скольжения с расчетной плоскостью) радиуса R с центром в точке О определяют отношение момента сдвигающих сил Мсд к предельному моменту Мпр — Эти моменты вычисляют относительно точки О по формулам:
где G-сила, равная сумме веса i-й части сползающего массива, заключенной между вертикальными плоскостями, и равнодействующей расположенной на ней нагрузки (см. рис. 3); для тех частей сползающего массива, в пределах которых расположена подпорная стена, сила G определяется с учетом ее веса;
где коэффициент условий работы т равен 0,7.
3.8. Расчет прочности грунтового основания под стеной производят по формулам:
и 
(5)
В тех случаях, когда в сечении по подошве фундамента момент пассивного отпора грунта получается больше момента активного давления, распределение напряжений в этом сечении принимают равномерным.
а) для низовых стен, сооружаемых на железных дорогах,
б) для остальных стен
3.11. Расчетный угол 
внутреннего трения грунта принимают равным нормативному углу 
внутреннего трения, установленному по данным лабораторных исследований грунта.
3.12. Расчетный угол 
трения грунта о боковую поверхность подпорной стены принимают:
а) для стен, сооружаемых на автодорогах,
б) для стен, сооружаемых на железных дорогах,
. (10)
3.13. Сцепление грунта учитывают только в расчете стены на устойчивость против скольжения совместно с грунтом по круглоцилиндрической поверхности.
3.14. При определении активного давления грунта на участке АВ задней грани подпорной стены, когда эта грань наклонена в сторону от насыпи, вместо участка АВ рассматривают фиктивную вертикальную грань АС (рис. 4). Вес грунта в объеме призмы ЛВС и нагрузку, лежащую на этой призме, учитывают как вес стены.
Усилия в горизонтальном или наклонно расположенном сечении стены (и по ее подошве) определяют по эпюре давления грунта (на участке стены от этого сечения до поверхности грунта), построенной при плоскости обрушения, проходящей через нижнюю точку этого участка.
3.15. Подвижную нагрузку автомобильных дорог располагают непосредственно за задней гранью (фактической или фиктивной) стены, вплотную к этой грани (рис. 5).
4. НАГРУЗКИ И ИХ КОЭФФИЦИЕНТЫ
4.1. Величины нормативных нагрузок от веса проезжей части и собственного веса стены определяют по объемным весам материалов, приведенным в СН 200-62. Объемный вес грунта следует принимать по данным лабораторных исследований грунтов.
К весу грунта, расположенного за фактической или фиктивной гранью стены, вводится один коэффициент перегрузки.
4.3. Нормативные временные вертикальные нагрузки (с учетом перспективы) на призме обрушения принимают:
4.4. При расположении подпорной стены вдоль железнодорожного пути нагрузку на расчетной схеме принимают в виде сплошной полосы.
На уровне подошвы балластной призмы принимают:
интенсивность q нормативной нагрузки, т /м,
4.5. При расположении подпорной стены вдоль движения автотранспорта давления от каждого ряда колес приводят к нагрузке, равномерно распределенной на сплошной полосе шириной а, равной 0,6 м в случае автомобильной нагрузки Н-30 и 0,8 м в случае колесной нагрузки НК-80.
Интенсивность q нормативной нагрузки в пределах каждой полосы устанавливают в зависимости от величины
Значение q, т /м, при нагрузке Н-30 устанавливают по табл. 3, а при нагрузке НК-80 вычисляют по формуле