Статья посвящена обзору отечественных и зарубежных публикаций по расчетам подпорных стен. Подпорные стены в настоящее время имеют широкое применение в практике строительства в России и за рубежом и используются при строительстве целого ряда сооружений различного назначения. Стремительные темпы научно-технического прогресса и широкое применение принципов рационального проектирования делают совершенствование методов расчета подпорных стен весьма актуальной задачей.
Проведенный обзор работ содержит как развитие теоретических исследований, так и результаты экспериментальных исследований работы подпорных стен. Обращено особое внимание публикациям в журнале «Основания, фундаменты и механика грунтов», значительная часть статей которого переведена на английский язык и широко известна за рубежом.
В статье [1] Н.К. Снитко развивает решение об определении бокового давления сыпучего тела с учетом смещения клина сползания и трения по его боковым граням при решении пространственной задачи, развивая предложенные в [2] решения.
В работах [3 - 7] Ф.И. Шихиев и П.И. Яковлев в отличие от работ [2, 8] развивают решение об определении бокового давления многослойной засыпки на подпорную стенку. Вначале решена задача для случая, когда у слоев одинаковый угол внутреннего трения, но разный объемный вес, как это бывает при учете взвешивающего действия воды ниже уровня грунтовых вод. Для каждого слоя определяют площадки скольжения, объемные силы и построением силового многоугольника определяют равнодействующую активного давления на подпорную стенку. Аналитическое решение этой задачи было получено П.И. Яковлевым ранее [7]. Для случая, когда у слоистой засыпки отличаются φ и γ, авторы рассмотрели три возможных траектории прохождения поверхности скольжения и методом последовательных приближений получили давление на подпорную стенку с достаточной точностью и привели два примера решения с конкретными числовыми данными.
П.И. Яковлев провел опыты по исследованию работы подпорных стенок с одной [9] и двумя разгружающими плитами [4], в которых экспериментально получил равнодействующую активного давления при разной величине смещения подпорной стенки. При смещении подпорной стенки с одно и двумя разгружающими плитами в грунте обратной засыпки образуются внутренняя и внешняя поверхности скольжения. Автором использовались месдозы и были получены эпюры контактных давлений на подпорную стенку.
В работе [5] выполнен анализ экспериментальных работ разных авторов [6, 7, 10] и получены зависимости критических смещений в зависимости от разных факторов (шероховатость подпорной стенки, свойств грунта обратной засыпки и др.) и рекомендовано активное давление определять по полученным формулам.
Клейн Г.К. в продолжение работы [8] предложил статистический подход к выбору оптимальных, с точки зрения стоимости, размеров подпорных стен [11]. Реализация метода статистических испытаний в виде алгоритма многократного моделирования вектора вероятности на ЭВМ позволяет получить оптимальное решение.
В опытах проведенных М.Н. Варгиным в 1964-1965 годах [12] исследовалась работа подпорной стенки на скальном основании. В качестве грунта обратной засыпки использовался сухой и водонасыщенный песок. К поверхности засыпки прикладывалась ступенчато равномерно распределенная по поверхности полезная нагрузка. Использование тензометрических приборов позволило выявить криволинейный характер эпюры давления на подпорную стенку и расположение равнодействующей давления на высоте 0,35 – 0,47 h, что при смещении подпорной стенки приводит к увеличению общего опрокидывающего момента. Т.о. выявлено несоответствие действительной работы подпорной стенки расчетным схемам по Кулону.
В опытах Бугрова А.К. [13] получена зависимость коэффициента постели от величины давления и уплотнения грунта засыпки и выявлен нелинейный характер зависимости предельного смещения подпорной стенки от глубины нахождения поверхности скольжения. Предложена формула определения смещения подпорной стенки хорошо согласующаяся с опытами А.З. Зархи [14], что позволило получить формулу для определения давления грунта на подпорную стенку при известном смещении с результатом приемлемым для практического применения.
Будин А.Я. [15, 16] предложил использовать грунтовые анкеры в подпорных стенках с упругими компенсаторами в дополнение к ранее проведенных исследований [17]. Получено выражение для коэффициента жесткости компенсатора при котором усилие в анкере снижается до заданной допустимой величины. Затем получена формула для определения перемещения анкера во времени. Это позволяет подбирать параметры упругих компенсаторов и проектировать анкеры с заданной долговечностью.
Для обратной засыпки подпорных стен редко используются набухающие грунты и разрешению этого вопроса посвящена работа Е.А. Сорочан [18]. Активное давление при этом суммируется с. На основе полевого эксперимента и дополнительных опытов с хвалынской и покровной глинах определено давление набухания на подпорную стенку при ее смещении, а также эффект введения в грунт обратной засыпки сильносжимаемого материала (крошки пенопласта). Предложена температурно-влажностная модель набухающего грунта для исследования НДС грунта засыпки реализованная в МКЭ. Выполнено сравнение НДС с результатами полевых испытаний [19].
При устройстве подпорных стен на склонах к активному давлению добавляется оползневое давление [20, 21]. Использование ЭВМ позволило Л.К. Гинзбургу просчитывать несколько возможных поверхностей скольжения и за расчетную поверхность принимать наиболее опасную. В статье [20] приведены пример реализации подпорной стены и подпорной стены на свайном фундаменте с контрбанкетом, а также рекомендации по усилению существующих стен. Результаты опытов на моделях противооползневых конструкций из нескольких рядов свай описаны в [22]. Выполнен анализ величины изгибающих моментов по длине тензосвай при использовании различных грунтов моделирующих оползневую толщу. Проводилось моделирование заделки нижних концов свай в прочное основание выявлено распределение усилий между рядами свай при свободных верхних оголовках свай и их соединении ростверком приведенное в табличном виде. В работе [23] Л.К. Гинзбург подверг сомнению результаты натурных и лабораторных исследований, изложенные в [24], хотя они относится к моделированию подпорных стен, состоящих из двух рядов буронабивных свай. Авторы работы [24] оценивая арочный эффект, возникающий при определенном расстоянии между сваями в первом ряду, приходят к выводу о том, что второй ряд свай незначительно вовлекается в работу подпорной стенки. Для малосвязного грунта обратной засыпки данные о распределении активного давления между рядами свай приведены в табличном виде, а также выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных.
При анализе работ ряда авторов, выполненном А.Ф. Кобахидзе [25] решения разделены на две группы первая – в соответствии с решением Кулона эпюра давлений прямолинейна (треугольной) и вторая группа в которой эпюра криволинейна. Автор предположил, что это связано с условиями в нижней части клина сползания. Опыты [26] показали, что при наличии скального основания эпюра давления на подпорную стенку в нижней точке стремится к нулю и необходимо предпринимать дополнительные мероприятия по обеспечению устойчивости подпорных стен.
В продолжение методики расчета М.Н. Гольдштейна [27] в работе [28] применили вариационный метод к расчету оползневого давления на подпорные стены и разработали алгоритм аналитического расчета, а работе [29] эти решения улучшены.
Подпорная стена набережной типа больверк с эпюрой давления по Кулону (по закону треугольника) с учетом смещения стенки разработал В.М. Карпов [30]. Он принял гипотезу о том, что стенка поворачивается относительно точки закрепления (анкера). Решение получено для упругой среды, а для исключения разрыва сплошности согласно М.И. Горбунова-Посадова [31] вводит специальный коэффициент. В статье приведено сравнение теоретического смещения и наблюдаемое в натуре.
Опыты с плоскопараллельным перемещением металлической стенки с погруженной в песчаные и глинистые грунты описаны в [32]. Авторами изучены размеры и форма тел выпирания грунта, по которым определялись сцепление и угол внутреннего трения, а затем сравнивались с полученными в приборе одноплоскостного среза. Однако размеры моделей позволяют оценить сопротивление грунта сдвигу только в первом приближении.
В работах Ю.Б. Михайлова [33, 34] разработан метод определения активного и пассивного давления на подпорные стенки от ступенчатых и ступенчато-возрастающих нагрузок при ломанном очертании поверхности обратной засыпки. Решения получены для невесомой среды с использование линий разрыва. Из множества возможных решений выбираются те при которых активное давление максимально, а пассивное давление – минимально. Автор выполнил сравнение результатов расчета с расчетом по методикам других авторов [8] и графоаналитическим методом С.С. Голушкевича [35], который учитывает вес при определении давления на подпорную стенку. Разработанный Ю.Б. Михайловым метод служит основой для разработки на его основе численных методов.
О.Л. Рудых в работе [36] предложил методику использования МКЭ для определения давления грунта на подпорные стены и определения НДС засыпки. Им предложено кривые деформирования, полученные в стабилометрах, аппроксимировать гиперболой, а для описания предельного состояния грунта использовать критерий Кулона-Мора. Для решения упругопластической задачи использован метод переменных параметров в сочетании с методом последовательных приближений. На первом шаге получают поле перемещений внутри массива грунта по результатам упругого решения. Это позволяет получить в центрах КЭ главные напряжения и их их интенсивность. Затем уточняют характеристики грунта и расчет повторяется до получения удовлетворительной сходимости результатов последних двух шагов приближения. Граничные условия задаются в перемещениях, что облегчает формирование матрицы жесткости.
В работе [37] Ф.Я. Новиков вначале приводит общие вопросы возведения подпорных стен для вечномерзлых грунтов, а затем предлагает метод расчета распорного давления [38] при сезонном оттаивании грунта.
Вопрос математической оптимизации уголковой подпорной стены с анкером по критерию стоимости рассмотрен в [39], что позволяет получить экономию материала до 15 %.
Н.Ф. Какосимиди получил реактивные давления основания и изгибающие моменты в полосе погруженной в упругоползучее основание [40], которое может быть использовано при расчете шпунтовых ограждений, фундаментных стенок, больверков и др. на конкретном примере показа важность учета реологических процессов в грунте основания.
Отдельный класс работ посвящен использованию буронабивных свай в противооползневых сооружениях [41 - 44] в которых предложены четыре этапа проектирования таких сооружений включающие оценку устойчивости оползневого участка, комплексный расчет удерживающего сооружения, конструирование железобетонных элементов сооружения и выпуск итоговых документов [41].
Проведенные в последние годы обследования ряда подпорных сооружений различного назначения [45, 46] показали, что дефекты подпорных сооружений имеют общие причины возникновения, что позволяет сформулировать принципы совершенствования методов их расчета. В соответствии с международным пониманием геотехнических проблем [47] формулирование принципов расчета подпорных стен для обеспечения безопасности их эксплуатации и долговечности по-прежнему является актуальной задачей.
По аналогии со стандартом [47] целесообразно рассматривать следующие предельные состояния:
- общая потеря устойчивости;
- разрушение структурных элементов, на пример стены, анкера, обвязочного пояса или подпорки, или разрушение соединения между такими элементами;
- комбинированное разрушение в грунте основания и в элементах структуры;
- разрушение под действием гидравлического вспучивания или размывания;
- перемещение удерживающей структуры, которое может вызвать обвал или нарушить эффективное использование структуры или соседних строений, опирающихся на нее;
- недопустимая фильтрация воды через или под стеной;
- недопустимый перенос частиц грунта через или под стеной;
- недопустимое изменение режима грунтовых вод.
Такой подробный подход и детализация предельных состояний не противоречит российским нормам и согласуется с основными принципами проектирования подпорных сооружений [48].
В заключение отметим, что использование метода предельного напряженного состояния дают более точные решения по величине давления на подпорные стенки, чем методы использующие плоские поверхности скольжения по Кулону.
