Расчет шпунтового ограждения

Расчет шпунтового ограждения

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра: «Водные пути, порты и электрооборудование»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основания и фундаменты»

Выполнила: студентка III курса

Группы ГТ-61

Гурдина А.Р.

Москва

Задания для выполнения курсовой работы

Задача 1. Для заданной по варианту схемы шпунтового ограждения подобрать глубину забивки шпунта из условий его устойчивости. Построить эпюры активного давления грунта, реактивного сопротивления и суммарную, определить положение сечения с наибольшим изгибающим моментом и требуемый осевой момент сопротивления на 1 погонный метр ограждения.

Числовые данные принять согласно данному варианту.

Задача 2. Для подпорной стены выполнить проверку устойчивости на сдвиг и опрокидывание, построить эпюру нормальных напряжений в сечении по ее подошве.

Размеры стены и характеристики грунта принять согласно данному варианту.

Задача 3. Выполнить расчет сваи по несущей способности грунтов основания.

Задача 1.

Исходные данные приведены в таблице:

В приводимом ниже расчете используется модель шпунтового ограждения как тонкой жесткой стенки, равновесие которой обеспечивается защемлением в коренном грунте путем забивки шпунта в него на глубину h₂.

Для построения эпюры активной нагрузки на шпунтовое ограждение равномерно-распределенную нагрузку q на поверхности засыпки заменяем слоем грунта высотой h₀ (приведенная высота), которая будет равна:

Коэффициент активного давления для первого слоя грунта при α = ε = δ = 0 определяем по формуле:

Эпюра интенсивности активного давления грунта в верхнем слое будет иметь форму трапеции с ординатами:

В верхней точке

В нижней точке

Для второго (коренного) слоя грунта будем иметь:

Интенсивность активного давления в верхней точке второго слоя грунта будет равна:

Для нижней точки ординату эпюры интенсивности активного давления найдем как алгебраическую сумму давления на ограждение с правой и с левой его стороны:

,

т.е. эпюра интенсивности активного давления в пределах слоя коренной породы имеет прямоугольное очертание.

Под действием активной нагрузки на шпунт в слое коренной породы возникает реактивное сопротивление, которое в предельном состоянии очерчивается ломаной эпюрой «защемления». Тангенс угла наклона эпюры «защемления» с левой стороны ограждения называют градиентом эпюры и определяют как разницу между коэффициентами пассивного и активного давления грунта, умноженную на удельный вес грунта:

, где

шпунтовой ограждение подпорный стена грунт

Прямая эпюры «защемления» с левой стороны ограждения будет иметь ординату в нижней точке шпунта, равную . Примем h₂=3,0м.

На расстоянии (h₂ - y) от низа шпунта эпюра «защемления» имеет излом. Величина этого расстояния определяется по формуле:

, где

Р - сумма проекций на горизонталь активной нагрузки, равная

М - сумма моментов активных сил относительно оси, проходящей через нижнюю точку шпунта, равная

При указанных числовых значениях получим:

Тогда

Ордината эпюры «защемления» на глубине y = 1,3м будет равна:

В нижней точке шпунта реактивное сопротивление имеет направление в противоположную перемещению шпунта сторону, т.е. влево, а эпюра «защемления» характеризуется максимальной ординатой σ, определяемой по формуле:

Построенная по этим данным эпюра «защемления» складывается с эпюрой активного давления (с учетом направлений действующих давлений), в результате чего получаем самоуравновешенную эпюру интенсивности суммарной нагрузки, действующей на шпунт. Устойчивость шпунта считается обеспеченной, если суммарная ордината в его нижней точке не превышает предельного сопротивления грунта в этой же точке, которая определяется как произведение градиента на приведенную высоту для этой точки:

В данном случае имеем:

, т.е. условие устойчивости выполняется. При невыполнении этого условия следует увеличить глубину заглубления шпунта.

.

Для составления этого уравнения будем искать величину поперечной силы в сечении шпунта на глубине z, проецируя на горизонталь силы, действующие на верхнюю отсеченную часть шпунта:

Получив величину, необходимо убедиться, что она не превышает глубину точки излома в эпюре «защемления», т.е. что ; для данного примера имеем .

При несоблюдении этого условия уравнение, из которого определялось z, необходимо составить с учетом излома в эпюре «защемления».

Максимальный изгибающий момент в сечении шпунта при z = 1, будет равен:

Из условия прочности при изгибе, которое имеет вид

,

определим требуемый момент сопротивления W_тр поперечного сечения шпунтового ограждения длиной в плане 1м:

Для стального шпунта R=16кН/см², тогда

.

Задача 2.

Исходные данные приведены в таблице:

I.       Определение нагрузок, действующих на подпорную стену

1.       Давление грунта

Для напорной грани 1-2 имеем:

, где

;

Для напорной грани 2-3 имеем:

Эпюру интенсивности активного давления на участке 1-2 строим по двум точкам:

Для точки 1 имеем h₀=0, P₀=0;

Для точки 2 имеем h₁=3м,

Для построения эпюры интенсивности активного давления грунта на участке 2 - 3 продолжаем эту грань до пересечения с дневной поверхностью грунта. Эта точка пересечения будет являться нулевой точкой эпюры интенсивности на участке 2 - 3 и началом отсчета величины h для этого участка. Превышение ее над уровнем 1 составит:

Тогда интенсивность активного давления для точки 2 напорной грани 2 - 3 будет равна:

Соответственно для точки 3 получим:

Равнодействующие активного давления грунта на каждом из участков определим как площади эпюр интенсивности. При этом протяженность стены в плане принимается равной 1м, т.е. рассматривается плоская задача.

Для участка 1-2 будем иметь:

Точка приложения силы Е₁ к напорной грани 1 - 2 будет находиться на уровне центра тяжести эпюры интенсивности активного давления на участке 1 - 2, т.е. на высоте  от точки 2.

Направление действия силы Е₁ ввиду наличия трения между грунтом и поверхностью стенки, определяемого углом внешнего трения δ, отклоняется вверх от нормали к напорной грани на угол δ. При этом горизонтальная Е^х₁, и вертикальная E₁^y составляющие силы Е₁ будут равны:

Для участка 2-3 будем иметь:

Точка приложения силы Е₂ к напорной грани 2 - 3 находится на уровне центра тяжести трапецеидальной эпюры интенсивности на этом участке, т.е. на высоте от низа стенки, равной:

2.       Собственный вес бетонной кладки стены.

Для определения собственного веса поперечного сечения стены разобьем на простейшие фигуры и определим вес отдельных блоков (см.рис.2):

.

Точки приложения весов G_i соответствуют центрам тяжести соответствующих блоков. Общий вес стены (при длине 1м) составит:

.

II.      Расчет устойчивости положения подпорной стены

. Расчет устойчивости на сдвиг

Устойчивость стены на сдвиг по ее подошве проверяется по формуле:

, где

Q_СД - сумма проекций сдвигающих сил на направление предполагаемого сдвига, к которым относятся силы Е₁ и Е₂; при этом горизонтальные проекции этих сил берутся со знаком «плюс», а силы трения по подошве стенки, вызванные вертикальными проекциями Е^у₁ и Е^у₂, берутся со знаком «минус»;

.

Здесь f = 0,5 - коэффициент трения подошвы стены по грунту основания;

Q_УД - сумма проекций удерживающих сил на направление возможного сдвига, к которым относятся давление грунта на переднюю напорную грань и силы трения по подошве стены, вызванные ее весом:

m - коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,9;

γ_n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1.

При указанных числовых значениях величин, входящих в условие устойчивости на сдвиг, получим:

,

т.е. устойчивость стены на сдвиг по ее подошве обеспечена.

2.       Расчет устойчивости на опрокидывание

Устойчивость стены на опрокидывание проверяется по формуле:

, где

М_ОП - сумма моментов опрокидывающих сил относительно возможной оси опрокидывание, к которым относятся силы давления грунта Е₁ и Е₂; за возможную ось опрокидывания принимается нижнее переднее ребро стенки, проходящее через точку 4; моменты горизонтальных составляющих Е^х₁ и Е^х₂ принимаются со знаком «плюс», а моменты вертикальных составляющих Е^у₁ и Е^у₂ - со знаком «минус».

М_УД - сумма моментов удерживающих сил относительно возможной оси опрокидывания, к которым относятся давление грунта на переднюю грань Е₃ и собственный вес стены G.

При тех же значениях коэффициентов m и γ_n получим:

,

т.е. устойчивость стены на опрокидывание обеспечена.

III.     Определение нормальных напряжений по подошве стены

Нормальная (продольная) сила N подошвы стены будет равна сумме проекций всех действующих на нее вертикальных сил:

Момент всех внешних сил (давление грунта и собственный вес) относительно точки 4 будет равен сумме ранее найденных моментов М_оп и М_уд:

.

Тогда плечо равнодействующей всех внешних сил относительно точки 4 будет равно:

,

т.е. центр давления (точка приложения равнодействующей всех внешних сил) в сечении по подошве стены будет находиться на расстоянии r₄ = 1,075м от точки 4.

Эксцентриситет, т.е. расстояние от центра давления до центра тяжести сечения, при этом составит:

,

где b = 3,5 - ширина подошвы стенки.

Нормальные напряжения σ в сечении при внецентренном действии продольной силы определяются по формуле:

,

N - продольная (нормальная) сила в сечении;

F - площадь поперечного сечения, равная b∙1 = 3,5м;

М - момент всех внешних сил относительно центральной оси сечения, равный

W - осевой момент сопротивления поперечного сечения, равный .

При этом формула для определения нормальных напряжений может быть преобразована следующим образом:

При этом знак «плюс» - соответствует напряжению в точке 4, а знак «минус» - напряжению в точке 3:

Знак «минус» соответствует растягивающим напряжениям, которые не могут возникнуть между подошвой стены и грунтом основания. Фактически появится некоторая зона «отлипания» по подошве стены, в пределах которой напряжения будут равны нулю; произойдет перераспределение напряжений по подошве за счет некоторого увеличения сжимающих напряжений. Для построения эпюры σ с учетом перераспределения напряжений, которая будет иметь треугольное очертание, будем рассуждать следующим образом: фактическую ширину работающей части подошвы стены, пока неизвестную, обозначим , а величину фактического напряжения в точке 4, тоже неизвестного, обозначим. Треугольная эпюра нормальных напряжений имеет место в том случае, когда центр давления совпадает с крайней точкой ядра сечения, которое в прямоугольном сечении занимает среднюю треть. Так как плечо равнодействующей относительно точки 4 при этом не меняется (r₄ = 1,075м), то размер , будет равен 3 r₄:

Площадь эпюры σ с учетом его перераспределения должна быть равна N, т.е.

 , откуда

.

Эпюры σ в основании стены, построенные по приведенным выше расчетам, приведены на рис.2.

Задача 3.

Железобетонная свая сечением 25х25см погружена паровоздушным молотом в глинистые грунты на глубину 14м.

Свая по несущей способности грунта основания рассчитывается по формуле:

,

где N - расчетная нагрузка, передаваемая на сваю;_d - расчетная несущая способность сваи по грунту;

γ_k - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,4, если несущая способность сваи по грунту найдена расчетным способом.

Несущая способность висячей сваи по грунту определяется по формуле:

,

где γ_с - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 1;- расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по табл. 1 СНиП 2.02.03 - 85 в зависимости от глубины погружения сваи и вида грунта.

Для забивной сваи при глубине погружения 14м для глинистого грунта при показателе текучести IL = 0,3 имеем R = 3900 кПа = 390 тс/м².

А - площадь опирания сваи на грунт, равная в данном случае площади поперечного сечения сваи

- наружный периметр поперечного сечения сваи, равный u = 4∙0,25 = 1м.- расчетное сопротивление i - го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, принимаемое по табл. 2 СНиП 2.02.03 - 85 в зависимости от средней глубины h_i расположения слоя и вида грунта.

Для определения f_i пласты грунтов основания расчленяем на однородные слои толщиной не более .

γ_cR, γ_cf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности, определяемые по табл. 3 СНиП 2.02.03 - 85 в зависимости от способа погружения сваи и вида грунта.

Для сплошной железобетонной забивной сваи имеем γ_cR = γ_cf = 1.

Расчет несущей способности сваи по боковой поверхности приведен в таблице:

Средняя глубина hi м

IL

fI кПа

Толщина слоя Δhi м

γcfi

γcfifi Δhi кПа

1

1

0,6

8

2

1

8

2

3

0,6

14

2

1

28

3

5

0,6

17

2

1

34

4

7

0,5

25,5

2

1

51

5

9

0,5

26,5

2

1

53

6

11

-

47

2

1

94

7

13

0,3

49

2

1

98

Несущая способность сваи по грунту будет равна

Расчетная нагрузка на сваю при этом составит: