рекомендации по расчету 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).
Расчет подпорных стен
Термины и определения
Подпорное сооружение
— это сооружение или конструкция, выполняемая для восприятия горизонтального давления и удержания грунта при перепаде высотных отметок, может быть самостоятельным сооружением или служить частью объекта капитального строительства.
Виды подпорных стен
По характеру взаимодействия с грунтом подпорные сооружения разделяют на:
Массивные
удерживают грунт, сопротивляясь сдвигу и опрокидыванию за счет собственного веса.
Уголковые
удерживают грунт, сопротивляясь сдвигу и опрокидыванию за счет дополнительного пригруза.
Гибкие
удерживают грунт, сопротивляясь сдвигу и опрокидыванию за счет заделки и конструкций крепления.
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
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:
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)».
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).
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».
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:
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:
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 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».