Расчёт устойчивости конструктивного шпунта при углублении подвалов

В том случае, когда при реконструкции отметка пола существующего подвала опускается ниже отметки подошвы фундаментов, целесообразно использовать конструктивное шпунтовое ограждение как первоочередную меру по обеспечению устойчивости предлагаемого решения.

Шпунт обычно устраивается по внутреннему периметру несущих стен подвала с использованием анкерного или распорного крепления. Для обеспечения устойчивости шпунта (ограничение его вертикальных и горизонтальных деформаций), обычно выполняется комплексный геотехнический расчёт с использованием МКЭ. Пример подобного решения представлен на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Рассчитанные вертикальные деформации при углублении подвала здания. Использован конструктивный шпунт из буроинъекционных свай с армированием 4 стержня 16А500С (максимальные перемещения 17.54 мм).

Шпунт может быть выполнен как металлическим, так и из буроинъекционных свай с армированием (см. рис. 2.13). В том и другом случаях расчёт, как правило, производится в несколько этапов.

Ниже, в виде примера, приведено подобное решение в 7 последовательных этапов:

1. этап. Задание природного давления. На данном этапе в расчетной схеме остается только грунтовый массив. Вычисляются вертикальное и горизонтальное давление в толще грунта, после расчета этапа все деформации сбрасываются. На следующий этап переходят только вычисленные напряжения.
2. этап. Задание существующих фундаментов и подвала с конструкцией пола подвала. На данном этапе вычисляются напряжения в толще грунта от конструкций и их осадки. После расчета все деформации сбрасываются, остаются только напряжения.
3. этап. Устройство стены из буроинъекционных касательных свай их армирование и создание распорок. В геометрическую модель задается бетон, изменяются характеристики грунта возле сваи и вводится армирование сваи. По верху армирования свай устраиваются распорки. На этом этапе вычисляется дополнительное давлении от новых конструкций в толще грунта и осадки от этих напряжений.
4. этап. Выемка последовательно, сначала 300мм грунта. На этом этапе удаляются кластеры расчетной модели, характеризующие существующий пол. Результатом расчета являются новые напряжения от разгрузки и соответствующие им перемещения.
5. этап. Выемка последующих 300мм грунта. На этом этапе удаляются кластеры расчетной модели, характеризующие 300мм грунта ниже предыдущей выемки. Результатом расчета являются новые напряжения от разгрузки и соответствующие им перемещения.
6. этап. Выемка последней части грунта. На этом этапе удаляются кластеры расчетной модели, характеризующие 400мм грунта ниже предыдущей выемки. Результатом расчета являются новые напряжения от разгрузки и соответствующие им перемещения.
7. этап. Устройство плиты пола нового подвала. На этом этапе задается пол подвала плитой 200мм и срубаются оголовки свай для оголения арматуры с последующим бетонированием.

Результатом последнего этапа расчета являются новые напряжения в конструкции шпунтовой стенки от разгрузки и соответствующие им перемещения (рис. 2.13).

Следует также подчеркнуть, что устойчивость применяемого конструктивного шпунтового ограждения может быть достаточно просто определена инженерным методом из условия предельного равновесия.

В этом случае конструктивная шпунтовая стенка, выполненная по внутреннему периметру несущих стен подвала при его углублении, будет испытывать активное боковое давление от веса грунта и дополнительное боковое давление от конструкции фундамента. Противодействие данному давлению (из условия предельного равновесия) оказывает пассивный отпор грунта со стороны углубляемого подвала. Расчетная схема работы шпунтового ограждения может быть представлена на рис. 2.14.

Как видно из расчетной схемы на представленном рисунке, результирующая активного давления грунта Е_а будет создавать относительно точки А (анкерного закрепления) момент М_Еа. Противодействовать данному воздействию будет момент М_Па относительно той же точки от пассивного отпора грунта Е_п.

Надёжность шпунтовой стенки в данных условиях будет завесить от длины шпунта h_ш, определяемого в зависимости от коэффициента запаса устойчивости h_уст по формуле:

(2.7)

Вычисления по формуле (2.7), в зависимости от длины шпунтового ограждения h_ш и в соответствии с расчетной схемой на рис. 2.14, выполнены по программе «mathcad» (см. приложение 3). Пример одного из результатов вычислений (для конкретных грунтовых условий и размеров фундамента) представлен на рис. 2.15. Результаты данного решения приведены в виде графической зависимости коэффициента запаса устойчивости h_уст от длины шпунта h_ш.

Рис. 2.14. Расчётная схема шпунтового ограждения при углублении существующего подвала на величину Н (м).

Рис. 2.15. Результаты программного расчета по определению необходимой длины шпунта для условий рассматриваемой задачи. (γ=20 кН/м³; φ=30°; с=2кПа; σ₀=200 кПа – среднее давление под подошвой фундамента; h₁=0,3м – расстояние от анкера до подошвы фундамента; H=0,8м – расстояние от анкера до пола углубляемого подвала; b=1,5м – ширина подошвы фундамента).

Анализ результатов расчета (рис. 2.15) показывает, что устойчивость шпунта обеспечена при h_уст > 1. В рассматриваемом случае, при длине шпунта 2,8м коэффициент устойчивости составит h_уст = 1,1; при длине 3,0м - h_уст = 1,2; и т.д.

Таким образом, расчётчик (проектировщик) на основе полученных данных вправе выбрать то решение, которое его удовлетворяет с точки зрения запаса устойчивости.

Использование представленной инженерной методики расчета позволит с любой степенью надежности выбрать необходимые размеры шпунта, позволяющие безопасно выполнить работы по углублению подвала, обеспечивая надёжное, безосадочное решение для фундаментов.