Проектирование подпорных стен из армированного грунта

Проектирование подпорных стен из армированного
грунта с использованием георешеток TENAX
Руководство по проектированию
Филиппо Монтанелли (Filippo Montanelli), инженер, TENAX SPA, отделение геосинтетики (Geosynthetics Division)
Пьерджорджио Рекалкати (Piergiorgio Recalcati), инженер-конструктор, TENAX SPA, техническое бюро геосинтетики (Geosynthetics
Technical Office (GTO)
TENAX SpA • Отделение геосинтетики
Via dell'Industria, 3 • I-23897 Viganò (LC) – Италия
Тел. +39.039.9219203 • Факс +39.039.9219200
Email: geo.div@tenax.net • http://www.tenax.net
Технический документ: TDR002 – 04/03
Человек, Технология, Среда
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Содержание
1.
Введение ..................................................................................................................................................................................... 3
2.
Георешетки TENAX .................................................................................................................................................................... 3
3.
Теория проектирования стен из армированного грунта ......................................................................................................... 3
4.
Определение геометрии стены................................................................................................................................................. 4
5.
Система подпорной стены TENAX Nuraghe............................................................................................................................. 5
6.
Характеристики грунта............................................................................................................................................................... 6
7.
Конструктивные характеристики георешетки TENAX.............................................................................................................. 6
8.
Рекомендуемые коэффициенты запаса прочности ................................................................................................................ 7
9.
Проектная процедура для анализа внешней устойчивости ................................................................................................... 7
9.1 Расчет коэффициента полноты давления земли ........................................................................................................... 9
9.2 Анализ сдвига стены вдоль основания стены................................................................................................................. 11
9.3 Анализ сдвига стены вдоль первого слоя георешетки ................................................................................................... 11
9.4 Анализ опрокидывания стены вокруг подошвы .............................................................................................................. 11
9.5 Анализ несущей способности у основания стены .......................................................................................................... 11
9.6 Окончательная проверка для анализа внешней устойчивости ..................................................................................... 12
10. Проектная процедура для анализа внутренней устойчивости .............................................................................................. 12
10.1 Анализ разрушения при перенапряжении в процессе растяжения .............................................................................. 13
10.2 Анализ разрушения вследствие отрыва георешетки ..................................................................................................... 17
11. Местная устойчивость сегментных элементов подпорной стены ......................................................................................... 19
11.1 Прочность соединения облицовки................................................................................................................................... 20
11.2 Сопротивляемость выпучиванию облицовки.................................................................................................................. 21
11.3 Максимальное количество неармированных блоков ..................................................................................................... 22
12. Анализ общей устойчивости ..................................................................................................................................................... 22
13. Пример проектирования ........................................................................................................................................................... 23
14. Ссылки ........................................................................................................................................................................................ 28
Перечень таблиц
Таблица 1a – Типичный коэффициент прямого сдвига системы грунт-георешетка Сds TENAX для георешеток, ориентированных
в одну сторону ................................................................................................................................................................. 7
Таблица 1b – Типичный коэффициент отрыва системы грунт-георешетка Cpo TENAX для георешеток,
ориентированных в одну сторону .................................................................................................................................. 7
Таблица 2- Рекомендуемые значения коэффициента запаса прочности ......................................................................................... 7
Таблица 3 – Величина LTDS в кН/м для различных георешеток при 20°С ....................................................................................... 14
Таблица 4 – TCR в кН/м для георешетки Tenax при различных температурах на 120 лет ............................................................... 15
Таблица 5 – Значения fschemical для различных типов грунта ............................................................................................................... 15
Таблица 6 – Прочность узла пересечения для различных типов георешетки .................................................................................. 15
Таблица 7 – Величина fsconstruction для различных типов грунта ........................................................................................................... 16
1
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Перечень рисунков
Рисунок 1 – Механизм потенциальных разрушений стены из армированного грунта ........................................................................4
Рисунок 2 – Пример блоков, используемых для системы сегментной подпорной стены TENAX NURAGHE ...................................5
Рисунок 3 – Данные по геометрии стены и характеристикам грунта....................................................................................................8
Рисунок 4 – Анализ внешней устойчивости ......................................................................................................................................... 10
Рисунок 5 – Анализ перенапряжения георешетки............................................................................................................................... 13
Рисунок 6 – Кривая регрессии разрушения при ползучести (TCR), определенная при различных уровнях нагрузки в% и
температуре ....................................................................................................................................................................... 14
Рисунок 7 – Изохронные кривые деформации ползучести для георешетки TENAX TT SAMP
при 20°C.............................................................................................................................................................................. 14
Рисунок 8 – Анализ отрыва георешетки............................................................................................................................................... 18
Рисунок 9 – Высота шарнира ................................................................................................................................................................ 20
Рисунок 10- Прочность соединения облицовки ................................................................................................................................... 20
Рисунок 11 – Выпучивание облицовки ................................................................................................................................................. 21
Рисунок 12 – Анализ общей устойчивости ........................................................................................................................................... 23
Рисунок 13 – Некоторые проектные данные из примера и поперечное сечение армируемой насыпи .......................................... 23
Рисунок 14 – Входные данные по геометрии стены............................................................................................................................ 24
Рисунок 15 – Характеристики грунта .................................................................................................................................................... 24
Рисунок 16 – Ввод данных по коэффициентам и коэффициентам запаса прочности ..................................................................... 25
Рисунок 17 – Анализ внешней устойчивости (1).................................................................................................................................. 25
Рисунок 18 – Анализ внешней устойчивости (2).................................................................................................................................. 26
Рисунок 19 – Анализ внутренней устойчивости................................................................................................................................... 26
Рисунок 20 – Анализ перенапряжения георешетки............................................................................................................................. 26
Рисунок 21 – Анализ отрыва ................................................................................................................................................................. 27
Рисунок 22 – Количество георешеток................................................................................................................................................... 27
Рисунок 23 – Окончательное расположение георешеток ................................................................................................................... 28
2
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Подпорные стены из армированного грунта с
использованием георешеток TENAX
Филиппо Монтанелли, инженер, TENAX SPA, отделение геосинтетики
Пьерджорджио Рекалкати, инженер-конструктор, TENAX SPA, техническое бюро геосинтетики
1. Введение
Настоящее руководство представляет методологию проектирования при добавлении армирующей георешетки
TENAX в грунт в целях строительства подпорных стен с вертикальной или почти вертикальной (> 80°)
поверхностью. Добавление в грунт армирующей георешетки создает композитную армированную конструкцию,
которая имеет способность противостоять высоким сжимающим и растягивающим нагрузкам. Армирующая
георешетка улучшает свойства грунта, предотвращая разрушение при растяжении.
Технология армированного грунта является концепцией с тысячелетней историей, и она испытывала различные
типы армирующих материалов от бамбука до стальных полос, от ветвей деревьев до армирующей георешетки.
Синтетические виды арматуры имеют то преимущество, что они обеспечивают большую долговечность,
прочность, практическую выверенность и, наконец, подход к проектированию с большим теоретическим
обоснованием.
Главными преимуществами применения армирующей георешетки TENAX при проектировании и строительстве
подпорных стен из армированного грунта являются: простота и скорость строительства, отсутствие потребности
в квалифицированных рабочих, гибкость и пластичность всей готовой конструкции, что обеспечивает
неравномерную осадку основания без разрушения.
Настоящее руководство по проектированию описывает надежное и экономичное проектирование вертикальных
конструкций из грунта, армированного георешеткой TENAX.
2. Георешетки TENAX
Георешетки TENAX являются непрерывными сетчатыми конструкциями с овальными отверстиями,
изготовленными из наиболее долговечных полимеров с помощью процесса экструзии и продольной ориентации.
Георешетки TENAX изготавливаются из полиэтилена высокой плотности и являются химически инертными, на
них не воздействует ультрафиолетовые лучи, и они полностью не подвергаются старению в условиях грунта.
Георешетки TENAX являются единой конструкцией без единого слабого места. Изделие производится
непрерывным процессом, так что пересечения георешетки выдавливаются. И таким образом, конечный продукт
имеет поперечные прутья, неразрывно соединенные с продольными полосами, что образует георешетку
монолитной конструкции, которая воспринимает и передает усилия на армированный грунт и благодаря
пассивному сопротивлению, и механизма трения.
Нагрузки в грунте передаются на георешетку TENAX через опорное давление на поперечные прутья грунта,
сцепленного с отверстиями георешеток, и через сдвигающее усилие в сопряжении грунт-георешетка.
Высокопрочные продольные полосы были спроектированы таким образом, чтобы выдерживать высокие
продолжительные растягивающие усилия в течение всего срока службы конструкции и иметь высокий модуль
упругости при малых напряжениях, чтобы полностью соответствовать модулю грунта.
Георешетки TENAX прошли серьезные испытания на механические и эксплуатационные свойства в
лабораториях по всему миру. Георешетки TENAX были установлены в тысячах подпорных стен, демонстрируя
превосходные эксплуатационные качества, простоту монтажа и экономию средств в сравнении с другими
стеновыми системами.
3. Теория проектирования стен из армированного грунта
Настоящее руководство по проектированию следует проектной методологии "Анализа связанных призм",
который обеспечивает наилучшую оценку поведения конструкций грунт-георешетка. Этот метод – надежный и
экономичный метод, который был рекомендован многими авторами.
"Метод связанных призм" анализирует всю конструкцию с использованием подхода конечного равновесия,
который позволяет инженеру проверить "отстояние" от точки разрушения.
Процедура проектирования состоит в анализе различных типов возможных разрушений четырьмя
последовательными шагами (Рисунок 1).
a) Анализ внешней устойчивости
Предполагается, что объем армированного георешеткой грунта ведет себя как жесткий блок. Этот блок
подвергается обычным механизмам разрушения подпорных стен, таким как: сдвиг, опрокидывание и потеря
несущей способности. На этой стадии проектирования определяются размеры участка, который будет
армироваться.
3
Человек, Технология, Среда
b)
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Анализ внутренней устойчивости
Этот анализ выполняется над объемом грунт-георешетка для того, чтобы определить требуемый предел
прочности георешетки, минимально требуемое количество слоев георешетки и минимально потребную
длину для того, чтобы обеспечить жесткое поведение армированного блока. Типичными видами анализа
внутренней устойчивости являются: расположение слоев георешетки, разрешение георешетки вследствие
перенапряжения и разрушение георешетки в результате отрыва.
c)
Анализ местной устойчивости
Этот анализ выполняется для сегментных подпорных стен, чтобы подтвердить, что колонна бетонных
блоков остается в целости без выпучивания; виды анализа местной устойчивости: соединение облицовки,
выпучивание и максимальная высота без армирования.
d)
Анализ общей устойчивости
Этот анализ выполняется над всей конструкцией, включая подпорную отсыпку и грунт основания. Этот
анализ должен выполняться в соответствии с классическими процедурами устойчивости откоса, такими как
модифицированный метод слоев Бишопа. Минимальный рекомендуемый коэффициент запаса прочности
для этого анализа колеблется между 1,3 и 1,5. Глава 12 ниже детально описывает анализ общей
устойчивости.
Горизонтальное
движение
Поворот
Поворот
Осадка
Сдвиг основания
Опрокидывание
Несущая способность
А. Внутренняя устойчивость
Горизонтальное
движение
Отрыв
Перенапряжение
В. Внутренняя устойчивость
Соединение облицовки
Выпучивание
D. Общая устойчивость
Максимальная высота без армирования
С. Местная устойчивость
Рисунок 1 – Механизм потенциальных разрушений стены из армированного грунта
4. Определение геометрии стены
Геометрия стены определяется по нескольким параметрам, включая полную высоту (h), высоту закопанной части
(d), угол верхнего откоса (β), распределение временной нагрузки (q).
Требуемая высота закопанной части стены определяется в соответствии с конкретными условиями строительной
площадки, такими как: глубина промерзания, тип откоса у подошвы стены, присутствие какого-либо усадочноговспученного глинистого грунта в основании, сейсмическая активность места. Требуемая глубина обычно от
0,50 м до значения, которое приблизительно составляет 10% от высоты открытой части стены.
Если закапываемая часть остается открытой во время строительства стены, затем закрывается, высота
закапываемой части должна быть добавлена к высоте открытой части, чтобы получить полную высоту стены (h).
Если высота закопанной части немедленно закрывается до достижения верха стены, тогда Полная высота есть
высота открытой части. Полная высота стены является проектной высотой, которая используется для расчетов,
выполняемых в настоящем руководстве.
4
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Присутствие верхней отсыпки с откосом принимается во внимание расчетом соответствующего коэффициента
активного давления земли (Ka) и использованием высоты стены в конце слоев арматуры в анализе устойчивости
внешней отсыпки.
Верхний откос отсыпки сильно влияет на требуемую высоту и количество георешеток, и иногда более удобно и
безопасно увеличить высоту стены, чтобы уменьшить угол верхнего откоса. Этот угол всегда должен быть
меньше, чем угол трения грунта отсыпки, в противном случае этот участок должен быть армирован
георешетками. Эта процедура проектирования тем не менее точна для углов верхнего откоса меньше 20
градусов. Когда стена соседствует с очень длинной отсыпки с откосом, должен быть выполнен аккуратный
анализ общей устойчивости.
Временные нагрузки направлены вертикально и считаются равномерно распределенными по всей длине
верхней поверхности.
Обычно они лежат в пределах от 5 до 20 кПа. Точечные и линейные нагрузки сложнее учитывать, и они не
обсуждаются здесь в настоящем руководстве.
Система облицовки является одним из ключевых факторов в проектировании подпорной стены из
армированного грунта. Система облицовки, которая должна быть использована с армирующей георешеткой,
должна быть выбрана не только по своим функциональным и эстетическим свойствам, цене, простоте монтажа,
долговечности, но также очень важен тип системы соединения с георешетками.
Система облицовки должна опираться на твердое основание, такое как выровненная железобетонная плита или
хорошо утрамбованное основание из свободно засыпаемого щебня со свободным дренажем. Толщина
вышеупомянутых оснований должна лежать в диапазоне от 0,15 до 0,40 м для бетонной плиты и от 0,30 до
0,60 м для основания из щебня.
5. Система подпорной стены TENAX Nuraghe
TENAX NURAGHE – это, составленной из бетонных блоков, специально разработанных для облицовки
конструкции, и георешеток для армирования грунта (см. Рисунок 2).
Бетонные блоки, уложенные на хорошо утрамбованный грунт, не требуют применения строительного раствора,
но каждый блок фиксируется к соседним только благодаря их необычной форме.
Бетонные блоки обычно имеют проходные отверстия, которые при установке заполняются грунтом, благодаря
этому самым увеличивается масса блока и обеспечивается закрепление георешеток TENAX.
Рисунок 2 – Пример блоков, используемых для системы сегментной подпорной стены TENAX NURAGHE
Лицевая поверхность блоков может быть выгнута для лучшего эстетичного вида отделки. Блоки сохраняют
устойчивость под действием силы тяжести без давления со стороны грунта; поэтому они не требуют при
установке формовочных работ, поскольку сами блоки играют роль формообразования при сооружении блока
грунта, армированного георешетками.
Система подпорной стены TENAX Nuraghe может быть построена с любыми бетонными блоками, специально
разработанными для этого применения. В частности, блоки TENAX Nuraghe, показанные на рисунке 2 были
спроектированы для использования вместе с георешетками TENAX.
Блоки имеют паз высотой 30 мм на верхних и нижних поверхностях. Эти пазы обеспечивают шпоночное
соединение между последовательными вертикальными слоями и помогают обеспечить выравнивание во время
сооружения стены. На боковых сторонах блоки соединяются с помощью соединения паз-выступ, который
позволяет вращаться им вокруг вертикальной оси, таким образом позволяя следовать контурам с малым
радиусом.
Две внутренние полости должны быть заполнены зернистым грунтом со свободным дренажем, Чтобы позволить
проходить воде и обеспечить полную связь с георешеткой.
5
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
6. Характеристики грунта
Геотехнические характеристики грунтов определяются удельной массой во влажном состоянии, углом
внутреннего трения и связностью. Эти характеристики грунта должны быть определены для армированного
грунта, отсыпки и грунта основания.
При расчете поперечных нагрузок в грунте связностью армированного грунта и отсыпки пренебрегают из
соображений безопасности.
Одним из важнейших преимуществ георешеток TENAX, используемых для армирования грунта, является то, что
они могут использоваться со всеми доступными на строительной площадке материалами засыпки, от зернистого
до мелкокомковатого грунта. Однако следует проявить особую осторожность при работе с грунтами без
свободного дренажа. Должна быть определен картина уровень грунтовых вод, и он должен быть изменен, если
он находятся внутри или вблизи армированного объема. Позади армированного объема должна быть
обеспечена дренажная система. Эта дренажная система может быть образована из геокомпозитного слоя, такого
как TENAX TNT, и системы сборных трубопроводов или зернистого грунта со свободным дренажем между двумя
слоями нетканой фильтровальной ткани. Система должна быть спроектирована так, чтобы предотвратить
образование любого возможного гидростатического давления. На лицевой стороне стены должен быть
обеспечен дополнительный дренаж, если стена имеет облицовку из непроницаемых блоков. В присутствии
водяного потока или стока по поверхности стены должен был запроектирован принудительный сток на лицевой
поверхности стены. Хорошим решением для герметической заделки крупных поверхностных инфильтраций
является толстый почвенный слой.
7. Конструктивные характеристики георешетки TENAX
Ключевыми факторами в армировании грунта являются предел прочности на разрыв армирующих слоев и их
способность передавать и воспринимать напряжения к и от окружающего грунта. Георешетки TENAX был
спроектированы для взаимодействия с грунтом и создания системы несущих элементов внутри структуры грунта,
которые позволяют армировать грунт. Этими несущими элементами являются поперечные прутья георешетки.
Эти прутья образуют единое целое с продольными полосами для того, чтобы полностью передавать напряжения
в грунте на георешетку: между прутьями и полосами не возможны смещения. Георешетки TENAX имеют предел
прочности на разрыв соединений, который значительно выше расчетной прочности.
Георешетки TENAX обеспечивают высокие коэффициенты прямого сдвига или отрыва в любом грунте, от
мелкокомковатого до зернистого, от связного до грунта с большим коэффициентом внутреннего трения. Эти
характеристики позволяют построить подпорные стены из армированного грунта с меньшей потребной длиной
армированного участка и сократить время и финансовые затраты во время выемки грунта, тромбовки,
перемещения грунта и монтажа.
Долговременная расчетная прочность георешетки TENAX установлена в результате интенсивных испытаний на
разрыв постоянной нагрузкой. Эти тесты продолжались более 10 000 часов, и их результаты экстраполированы
на срок службы более 100 лет.
Коэффициент прямого сдвига системы грунт-георешетка (Cds) определен в результате интенсивных испытаний в
коробчатом аппарате прямого сдвига с площадью контакта 0,30 на 0,30 м. В этой сдвиговой коробке
характеристики всех георешеток TENAX и всех репрезентативных типов грунтов были проанализированы и
испытаны по различными вертикальными напряжениями.
Результаты выражены коэффициентом сдвига для каждого крупного класса грунта.
Аналогичные виды испытаний были выполнены в большой коробке для отрыва для определения коэффициента
отрыва системы грунт-георешетка (Cpo).
При проектировании подпорной стены из армированного грунта важно распределить армирующие слои по всей
высоте конструкции, располагая армирующие слои обычно на расстоянии не более 1,0 м друг от друга, в
противном случае могут образоваться зоны недостаточно армированные. Расстояние между двумя слоями
георешетки увеличивается с качеством и размером зерна засыпаемого грунта. Например, если мы хотим
армировать бедный грунт, инженер должен выбирать не самую прочную георешетку, а много слоев более легкой
решетки, поскольку большее число армирующих слоев обеспечит лучшее общее взаимодействие георешетки и
грунта.
Иногда система облицовки приводит к тому, что коэффициент перекрытия георешетки ниже 100%. Это может
быть в случае деревянной подпорной стенки с вертикальными стойками позади облицовки стены. Коэффициент
перекрытия георешетки есть соотношение между площадью, закрытой георешеткой, и полной горизонтальной
площадью, которая должна быть армирована.
Этот коэффициент должен всегда быть выше 75% для получения лучших рабочих характеристик.
Общий коэффициент сдвига (Cg) в плоскости разрушения георешетки является функцией перекрытия
георешетки:
Сg = 1 – Rc⋅(1 – Сds)
(1)
где:
Сg – общий коэффициент сдвига;
6
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Rc – коэффициент перекрытия георешетки;
Сds – коэффициент прямого сдвига системы грунт-георешетка.
Для предварительного проектирования с георешеткой TENAX мы предлагаем использовать значения
коэффициента, приведенные в таблице 1, которые были определены в процессе интенсивного испытания с
использованием грунтов различных классов.
Тип грунта
Гравий
Песок
Ил
Глина
Минимум
0,90
0,85
0,75
0,70
Максимум
1,00
0,95
0,85
0,80
Таблица 1a – Типичный коэффициент прямого сдвига системы грунт-георешетка Сds TENAX для георешеток, ориентированных
в одну сторону
Тип грунта
Гравий
Песок
Ил
Глина
Минимум
0,90
0,85
0,75
0,70
Максимум
1,50
1,20
1,00
0,90
Таблица 1b – Типичный коэффициент отрыва системы грунт-георешетка Cpo TENAX для георешеток,
ориентированных в одну сторону
Коэффициенты в таблице 1 должны использоваться для определения касательных напряжений с помощью
следующих формул:
τ ds = σ'n ⋅ Cds ⋅ tg φ'
(2)
τ po = 2 ⋅ σ'n ⋅ C po ⋅ tg φ'
(3)
8. Рекомендуемые коэффициенты запаса прочности
Различные коэффициенты запаса прочности должны использоваться для анализа и определения расстояния от
условий "разрушения" в соответствии с "теорией конечного равновесия".
Рекомендуемые значения коэффициента запаса прочности (КЗ) для проектирования типовых вертикальных
подпорных стен из армированного грунта с георешетками TENAX приведены в таблице 2:
КЗ общей устойчивости
КЗ сдвига стены
КЗ опрокидывания стены
КЗ потери несущей способности
КЗ перенапряжения георешетки
КЗ сопротивления георешетки
отрыву
КЗ сдвига облицовки
КЗ соединения георешетки
FSg
FSS
FSo
FSb
FSt
1,30 ÷ 1,50
1,50
2,00
2,00
1,50
FSp
1,50
FSsc
FScs
1,00 ÷ 1,50
1,00 ÷ 1,50
Таблица 2 – Рекомендуемые значения коэффициента запаса прочности
Эти значения коэффициента запаса прочности должны быть откорректированы в соответствии с конкретными
условиями строительной площадки, такими как геометрия стены, типы грунтов, строительные процедуры, срок
службы проекта и критичность конструкции.
9. Проектная процедура для анализа внешней устойчивости
Проектирование подпорной стены из грунта, армированного георешеткой, выполняется с использованием
"Метода связанных призм". Этот анализ основывается предпочтительно на теории Ранкина о распределении
давления и напряжения земли. Предполагается, что это распределение наилучшим образом представляет
поведение подпорной стены из грунта, армированного георешетками TENAX.
Во время анализа внешней устойчивости пассивным сопротивлением грунта основания у подошвы стены и
вертикальными движущими силами отсыпки пренебрегают, и они для простоты и безопасности считаются
равными нулю.
Перед началом анализа должна быть узнана или определена следующая информация (см. рисунок 3).
7
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
А) Входные данные по геометрии стены:
Полная высота стены
Вертикальная временная нагрузка
Угол верхнего откоса
Высота засыпанной части стены
Слой уплотненного грунта
Максимальный шаг георешетки
Уровень первой решетки
Угол наклона облицовочной
системы
Наклон основания стены
h
q
β
H
s
M
h1
(м)
(кПа)
(град)
(м)
(м)
(м)
(м)
ω
(град)
α
(град)
B) Входные характеристики грунта: армированного (r), засыпанного (b) и основания (f):
Удельная масса во влажном
состоянии
Углы внутреннего трения
Связность
Угол трения грунта стены
γr, γb, γf
(кН/м3)
φ r, φ r, φ r
cr, cb, cf
δ
(град)
(кПа)
(град)
C) Входные данные по расчетным свойствам георешеток TENAX:
Тип решетки TENAX
Долгосрочная расчетная прочность
Коэффициент отрыва георешетки
Коэффициент сдвига георешетки
Коэффициент перекрытия
георешетки
t1 , t2
LTDS1, LTDS2
Cpo
Cds
(-)
(кН/м)
(-)
(-)
Rc
(-)
Рисунок 3 – Данные по геометрии стены и характеристикам грунта
8
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
9.1 Расчет коэффициента полноты давления земли
Коэффициент полноты активного давления земли (Ka) для вертикальной подпорной стены с углом верхнего
откоса отсыпки (β) определяется по:
Ka = cos β ⋅
cos β − (cos β)2 − (cos φ)2
cos β + (cos β) 2 − (cos φ) 2
(4а)
(по теории Ранкина)
или по:
Ka =
cos2 ( φ + ω + α)
⎡
⎤
sin ( φ + δ) ⋅ sin ( φ − β)
cos2 (ω + α) ⋅ cos (ω + α − δ) ⋅ ⎢1 +
⎥
cos (ω + α − δ) ⋅ cos (ω + α + β) ⎦
⎣
(4b)
(по теории Кулона)
Несколько надзорных организаций, включая FHWA и AASHTO для анализа внутренней устойчивости
рекомендуют использовать теорию Ранкина, в то время как теория Кулона рекомендуется FHWA для анализа
внешней устойчивости. Теория Кулона дает возможность учесть действительную геометрию стены, включая
откос облицовки ω и наклон основания α; кроме этого, в теории земли Ранкина проявилась вероятность
переоценки поперечного давления в земле (Симак (Simac) и другие, 1993).
Коэффициент полноты активного давления земли должен быть рассчитан для армированного грунта (Kar) и
грунта отсыпки (Kab), если у них различные углы внутреннего трения ( φ r), ( φ b).
Для того, чтобы всегда обеспечивать консервативное проектирование, инженерами TENAX в основном
используется коэффициент полноты давления земли по Ранкину из формулы (4а).
Дальнейшие ссылки даются на рисунок 4.
Высота засыпанной части стены (H) для стены с верхним откосом определяется по:
H = h + L · tan β
(5)
а поперечные активные силы, возникающие вследствие воздействия грунта отсыпки (Fdb), временные нагрузки
(Fqb) и сумма этих величин (Ftb) определяются по:
Fab =
1
K ab ⋅ γ b ⋅ H 2
2
(6)
Fqb = q ⋅ K ab ⋅ H
(7)
Ftb = Fdb + Fqb
(8)
или в общем виде вышеуказанные силы на заданном вертикальном возвышении (y) от основания стены
выражаются по следующим формулам:
Fdb( y ) =
1
K ab ⋅ γ b ⋅ ( H − y )2
2
(9)
Fqb ( y ) = q ⋅ K ab ⋅ ( H − y )
(10)
Ftb ( y ) = Fdb ( y ) + Fqb ( y )
(11)
9
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Горизонтальная составляющая вышеуказанных сил может быть рассчитана в соответствии с теорией давления
земли Ранкина и теорией давления земли Кулона.
В первом случае сила, возникающая благодаря весу грунта, и сила, возникающая благодаря временных
нагрузок, наклонены под углом β склона над стенкой; горизонтальная составляющая определяется по:
Fdbh = Fdb ⋅ cos β
(12)
Fqbh = Fqb ⋅ cos β
(13)
Во втором случае вышеуказанные силы наклонены под углом (δ–ω–α); горизонтальная составляющая
определяется по:
Fdbh = Fdb ⋅ cos (δ − ω − α)
(14)
Fqbh = Fqb ⋅ cos (δ − ω − α)
(15)
Суммарное значение горизонтальной силы Ftbh равно:
Ftbh = Fdbh + Fqbh
(16)
Общий коэффициент прямого сдвига системы грунт-георешетка (Cg) рассчитывается с использованием
формулы (1).
Чтобы упростить процесс расчетов при определении коэффициентов запаса прочности по внешней
устойчивости, определяются следующие постоянные:
• Объемная масса на единицу ширины армированного грунта (Wr) и грунта отсыпки (Wb):
Wr = L ⋅ h ⋅ γ r
Wb =
(17)
1
γ r ⋅ L2 ⋅ tan β
2
(18)
• Общая вертикальная временная нагрузка на единицу ширины (Q):
Q = q⋅L
(19)
Рисунок 4 – Анализ внешней устойчивости
10
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
9.2 Анализ сдвига стены вдоль основания стены
Прочность на сдвиг армированного грунта и грунта основания должна быть достаточной, чтобы противостоять
горизонтальным напряжениям, прикладываемым к армированному блоку грунтом отсыпки и внешними
нагрузками. Должны быть выбраны пробная длина георешетки и уровень залегания первой георешетки. Длина
георешетки должна быть больше 60% высоты стены и уровень залегания первой георешетки обычно лежит в
пределах от 0 до 0,40 м. Коэффициент запаса прочности для предотвращения сдвига (FSs) вдоль основания
стены определяется по:
FS s =
(Wr + Wb + Q ) ⋅ tan φk
Ftbh
(20)
где:
φk = min( φr ,φf )
(21)
Если стена засыпается с момента начала строительства, тогда
φk = φr
(21 бис)
9.3 Анализ сдвига стены вдоль первого слоя георешетки
Анализ сдвига должен быть выполнен также на уровне первого слоя георешетки (h1) для того, чтобы убедиться в
том, что длина армирования достаточна. Для того, чтобы выполнить этот анализ, мы должны принять во
внимание общий коэффициент взаимодействия грунта/георешетки.
Коэффициент запаса прочности для предотвращения сдвига (FSs) вдоль первого слоя георешетки определяется
по:
FS s =
(Wr + Wb + Q − W1 ) ⋅ tan φr ⋅ C g
Ftbh ( h1 )
(22)
где W1 удельный вес армированного грунта на единицу длины между основанием стены и первым слоем
георешетки, а Ftbh(h1) получается из уравнений (9) ÷ (16) при y = h1
W1 = L ⋅ h1 ⋅ γ r
(23)
9.4 Анализ опрокидывания стены вокруг подошвы
Коэффициент запаса прочности для предотвращения опрокидывания (FSo) вокруг подошвы стены определяется
сравнением моментов внутренних сил, возникающих вследствие действия веса грунта (Wr) и временных нагрузок
(Wb), и опрокидывающих моментов, возникающих вследствие действия движущих сил отсыпки (Fdbh) и (Fqbh)
(рисунок 4). Если рассчитанный коэффициент запаса прочности FS ниже требуемого, тогда пробная длина
должна быть увеличена.
FS0 =
( 3 ⋅ Wr + 3 ⋅ Q + 4 ⋅ Wb ) ⋅ L
( 2 ⋅ Fdbh + 3 ⋅ Fqbh ) ⋅ H
(24)
9.5 Анализ несущей способности у основания стены
Коэффициент запаса прочности для предотвращения потери несущей способности FSb рассчитывается в
соответствии с теорией распределения Мейергофа. Эта теория указывает, что распределение напряжений в
основании может быть принято как равномерное распределение на эффективной длине L' (рисунок 4),
определяемой по:
L' = L − 2 ⋅ e
(25)
где "e" – это эксцентриситет результирующей силы в основании стены.
11
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
"e" должен быть меньше, чем длина георешетки, разделенная на 6, для предотвращения возникновения
растягивающих напряжений в основании (в этом случае результирующая сила в основании уменьшается до
пределов основных сил инерции в самом основании):
e=
(2 ⋅ Fdbh + 3 ⋅ Fqbh ) ⋅ H − Wb ⋅ L
6 ⋅ (Wr +Wb + Q )
<
L
6
(26)
Предельная несущая способность грунта основания Qult по теории Мейрегофа задается следующей формулой (в
которой обычно высота засыпанной стены (d) считается равной нулю), а Nq, Nc и Nγ выражаются в соответствии с
классической геотехнической теорией (Весик):
Qult = N c ⋅ c f + 0,5 ⋅ N γ ⋅ ( L − 2 ⋅ e) ⋅ γ f + d ⋅ γ f ⋅ N q
(27)
⎛ π φ⎞
N q = e π⋅tanφ ⋅ tan 2 ⎜ + ⎟
⎝4 2⎠
(28)
N c = ( N q − 1) ⋅ cot φ
(29)
N γ = 2 ⋅ ( N q + 1) ⋅ tan φ
(30)
Вертикальное давление, приложенное в основании стены (Qa) равно:
Qa =
Wr + Wb + Q
L − 2⋅e
(31)
Коэффициент запаса прочности для несущей способности (FSb) рассчитывается путем сравнения предельной
несущей способности с приложенным вертикальным давлением (Qa).
FS b =
Qult
Qa
(32)
9.6 Окончательная проверка для анализа внешней устойчивости
Коэффициенты запаса прочности, рассчитанные по уравнениям (20), (22), (24) и (32) должны быть больше
минимальных значений, назначенных инженером-конструктором. Рекомендуемые коэффициенты запаса
прочности при проектировании подпорных стен из армированного грунта приведены в таблице 2.
Более того, предлагается проверить также уравнение (26).
Если какое-либо уравнение не проверено, тогда могут быть выполнены следующие рекомендации для
улучшения конструкции:
A) Увеличить длину участка, армированного георешеткой.
B) Уменьшить угол верхнего откоса путем увеличения высоты стены.
C) Выбрать грунт отсыпки с большим коэффициентов внутреннего трения.
D) Выбрать более тяжелый грунт отсыпки.
E) Увеличить высоту засыпанной части стены.
10. Проектная процедура для анализа внутренней устойчивости
Чтобы обеспечить внутреннюю устойчивость армированного блока, который мы спроектировали во время
анализа внешней устойчивости, слои георешетки должны быть в состоянии противостоять, без перенапряжения,
все растягивающие напряжения, вызываемые грунтом отсыпки позади вертикальной облицовки стены, и
временные нагрузки. Анализ внутренней устойчивости определит тип(ы) и количество требуемых георешеток и
он проверит, достаточна ли длина армирующих слоев для противостояния отрывающим силам.
12
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
10.1 Анализ разрушения при перенапряжении в процессе растяжения
Определяется и анализируется схема расположения георешетки для оценки разрушения при перенапряжении.
Предполагается, что поверхности разрушения, в соответствии с теорией Ранкина, располагаются вдоль
⎛
⎝
плоскостей, наклоненных под углом ⎜ 45 −
φr ⎞
⎟ от вертикали и проходящих через подошву стены и через все
2⎠
средние точки возвышения между двумя слоями георешетки на поверхности стены. Это, в соответствии с
Кристофером и др., 1989, точно для вертикальных стен с углом верхнего откоса, лежащим между 0 и 20 град.
(рисунок 5). Возвышение слоев георешетки должно быть равно нескольким толщинам утрамбованных слоев или
высоте элемента облицовки, если таковая присутствует. Это сделано для того, чтобы облегчить и ускорить
процедуру строительства и сократить затраты на строительство.
Рисунок 5 – Анализ перенапряжения георешетки
Расчетная сила P обычно определяется сопротивлением арматуры или силой в георешетке, соответствующей
максимальным деформациям, совместимым с работоспособностью. Допускаемое сопротивление георешетки
определяется как доля долговременной расчетной прочности (LTDS) с учетом частного коэффициента запаса
fstotal:
Tall =
LTDS
fstotal
(33)
где:
LTDS = TCR = проектный предел прочности на разрыв (предельное конечное состояние) в соответствии с
анализом разрушения при ползучести (рисунок 9) или;
LTDS = TCS = проектный предел прочности на разрыв (конечное состояние работоспособности) в
соответствии с анализом разрушения при ползучести (рисунок 10);
fstotal = ( fsconstruction ⋅ fschemical ⋅ fsbio log ical ⋅ fs junction )
(34)
Расчетная прочность P определяется с помощью применения других общих коэффициентов запаса прочности
FSg к допустимому сопротивлению Tall. В зависимости от важности и проектного срока службы конструкции это
значение колеблется в пределах 1,30 ÷1,50.
P=
Tall
FS g
(35)
Рисунок 6 представляет кривую регрессии разрушения при ползучести (TCR) при 20°C для георешеток TENAX TT
SAMP как функцию времени, определенную при различных уровнях нагрузки в% и температуре.
13
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 7 показывает изохронные кривые ползучести, из которых возможно определить расчетную прочность
георешетки (TCS), как функцию от времени и долговременного напряжения "на воздухе" георешеток TENAX TT
SAMP.
ПРОЦЕНТ НАГРУЗКИ,%
Прогнозируемая регрессия наилучшего
согласия
95% нижняя доверительная граница
наилучшего согласия регрессии
Экспериментальные данные при 10°C
Экспериментальные данные при 20°C
Экспериментальные данные при 30°C
Экспериментальные данные при 40°C
Время при 20°С, час
Рисунок 6 – Кривая регрессии разрушения при ползучести (TCR) при 20°C, определенная при различных уровнях нагрузки в% и
температуре
СТЕПЕНЬ ПИКОВОГО ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ НА РАЗРЫВ (%)
РАСЧЕТНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ
1 час
100 часов
10000 часов
1000000 часов
10 часов
1000 часов
100000 часов
ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ (%)
Рисунок 7 – Изохронные кривые деформации ползучести для георешетки TENAX TT SAMP при 20°C
Величина LTDS является функцией явления ползучести георешеток, температуры и времени; она определена
после испытаний на ползучесть (Монтанелли и Римолди (Montanelli & Rimoldi), 1993). В таблице 3 даны
предлагаемые значения долговременной расчетной прочности (LTDS) при 20°C, основанные на оценке,
выполненной компанией I.T.C. в сертификате о техническом допуске № 580/02 (2002).
Тип георешетки
TT 045 SAMP
TT 060 SAMP
TT 090 SAMP
TT 120 SAMP
TT 160 SAMP
Расчетная прочность
TCS (кН/м)
TCR (кН/м)
до 60 лет
до 120 лет
до 60 лет
до 120 лет
19,8
18,5
21,6
21,2
26,4
24,6
28,7
28,3
39,6
36,9
43,1
42,4
52,8
49,2
57,5
56,5
70,4
65,6
76,6
75,4
Таблица 3 – Величина LTDS в кН/м для различных георешеток при 20°С
14
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
В таблице 4 представлены значения TCR для георешетки Tenax при различных температурах на 120 лет.
Тип георешетки
10°
22,4
29,9
44,8
59,8
79,7
TT 045 SAMP
TT 060 SAMP
TT 090 SAMP
TT 120 SAMP
TT 160 SAMP
Температура
20°
21,2
28,3
42,4
56,5
75,4
30°
20,8
27,7
41,6
55,4
73,9
Таблица 4 – TCR в кН/м для георешетки Tenax при различных температурах на 120 лет
Величина fstotal должна быть получена перемножением нескольких частных коэффициентов запаса прочности
(Кернер (Koerner), 1994), чтобы учесть несколько возможных факторов старения (уравнение 18).
Биологический и химический коэффициенты запаса прочности для георешеток TENAX TT SAMP равны 1,00 для
всех типичных условий, обнаруживаемых в естественном грунте; технология производства и полимер,
используемый в георешетках Tenax TT SAMP гарантируют отсутствие старения вследствие химического или
биологического воздействия. Георешетки изготавливаются из высококачественного полиэтилена (HDPE), из
полимера наиболее инертного типа, и, поэтому, они устойчивы к химическому и биологическому воздействию.
Результаты испытаний, проведенных с георешетками TENAX TT SAMP в лаборатории Geosyntec (1991) в США с
использованием метода испытаний 9090 Агентства по охране окружающей среды (E.P.A.), показали, что
выдавленные георешетки из полиэтилена HDPE не повреждаются никакими синтетическими сточными водами
при типичных температурных условиях, обнаруживаемых в грунте. Более того, георешетки TENAX имеют
высокую сопротивляемость воздействию микроорганизмов (аэробных и анаэробных бактерий) и
макроорганизмов (грызунов и термитов).
fschemical
1,05
1,00
1,05
Тип грунта
pH < 2,0
2,0 < pH < 10,0
pH > 10,0
Таблица 5 – Значения fschemical для различных типов грунта
Для георешетки TENAX TT SAMP соотношение между прочностью узлов пересечения Rj и расчетной прочностью
LTDS всегда выше, чем соответствующий коэффициент запаса прочности, равный 1,5, следовательно fsjunction
равен 1,00.
Rj
LTDS
≥ 1,50
= > fs junction = 1,00
(36)
Более того, испытания на ползучесть при растяжении выполнены путем приложения нагрузки через узлы
пересечения, то есть прижима образцов к узлам пересечения; следовательно, благодаря испытаниям мы может
верифицировать, что даже в долгосрочной перспективе прочность узла пересечения всегда выше, чем
расчетная прочность: следовательно, коэффициент запаса прочности узла пересечения fsjunction должен быть
принят равным 1,0.
Таблица 6 представляет механические характеристики типов георешеток Tenax TT SAMP.
Тип георешетки
TT 045
TT 060
TT 090
TT 120
TT 160
Предел прочности на
разрыв (кН/м)
45
60
90
120
160
Удлинение при пиковой
нагрузке (%)
11,5
13,0
13,0
13,0
13,0
Прочность узла пересечения
(кН/м)
36
50
80
110
130
Таблица 6 – Прочность узла пересечения для различных типов георешетки
Когда грунт, в особенности, дробленый гравий, рассыпан по георешетке и утрамбован, георешетке наносятся
повреждения вследствие местных пробоев, вмятин, абразивного истирания, порезов и расслаивания, наносимых
заполнителем. Каждый тип георешетки претерпевает различную степень повреждений, которые могут быть
оценены с помощью испытаний на растяжение, выполненных на поврежденных и контрольных (неповрежденных)
изделиях. На этот предмет в Великобритании были выполнены интенсивные независимые программы испытаний
для оценки остаточной прочности на разрыв различных геосинтетиков после полномасштабного испытания
повреждением при трамбовке. Например, полномасштабные испытания повреждением при трамбовке были
выполнены TRRL (Исследовательской лабораторией транспортных дорог – Transport Road Research Lab) в
соответствии с процедурой, установленной Ваттсом и Брейди (Watts and Brady) (1990), а испытания на разрыв
15
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
были выполнены и на оригинальных и поврежденных образцах независимыми лабораториями. Результаты этих
испытаний для нескольких георешеток и типов грунта суммированы в следующей таблице 7.
Тип грунта
Ил и глина
Зола размельченного топлива
Мелко- и среднезернистый песок
Крупнозернистый песок и мелкий гравий
Гравий
Балласт, остроугольные камни
Макс. ∅ частиц
< 0,06 мм
различный
0,06 – 0,6 м
0,6 – 6 мм
6 – 40 мм
< 75 мм
< 125 мм
fsconstruction
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,03
1,07
Таблица 7 – Величина fsconstruction для различных типов грунта
Полная активная сила Fr в армированном грунте, действующая вследствие нагрузки активной призмы грунта и
дополнительных нагрузок на уровне основания стены задается формулой:
Fr = (0,5 ⋅ γ r ⋅ h + q) ⋅ h ⋅ K ar
(37)
а полная активная сила Fr(y) в армированном грунте на уровне средней точки между двумя слоями георешетки mi
равна:
Fr ( m1 ) = [0,5 ⋅ γ r ⋅ ( h − m1 ) + q ] ⋅ ( h − m1 ) ⋅ K ar
(38)
Горизонтальная составляющая Fhr и Fhr(mi) получаются, как показано в предыдущей главе, в соответствии с
теорией Ранкина или Кулона.
Минимальное требуемое количество (Nmin) армирующих слоев для обеспечения внутренней устойчивости равно:
⎛ F ⋅ FS1 ⎞
N min = ⎜ hr
⎟
⎝ P ⋅ Rc ⎠ round _ up
(39)
где FSt – это коэффициент запаса прочности для предотвращения разрушения в результате перенапряжения, а
Rc – это коэффициента перекрытия георешеткой по площади. Минимальное количество георешеток теоретически
достаточно для армирования насыпаемого грунта, но поскольку георешетки укладываются на возвышении,
которое равно ряду слоев утрамбованной прослойки, а не там, где прочность армирования оптимальна, обычно,
это количество должно быть увеличено.
Слои георешетки должны быть распределены по высоте стены с учетом того, что внизу горизонтальные
напряжения выше, поэтому требуемая высота прослойки должна быть меньше, чем соответствующая высота
вблизи верха стены. Для стены с облицовкой из панели на всю высоту первый слой георешетки должен быть
расположен на уровне выше, чем уровень основания, чтобы обеспечить больший момент сопротивления
опрокидыванию облицовки стены. С другой стороны, для стен с облицовкой из бетонных блоков расположение
слоя георешетки в основании улучшит устойчивость и повысит несущую способность фундамента.
Следующие количества слоев утрамбованного грунта (ni) между двумя слоями георешетки выбираются по:
n1, n2, n3,...,ni,..., nn, где обычно:
n1 ≤ ni +1
(40)
Уровни расположения слоев георешетки (hi) и уровни средних точек (mi) между двумя георешетками в этом
случае рассчитываются по:
i
h1, h2, h3,...,hi,..., hn
hi = ∑ nn ⋅ s
m1, m2, m3,...,mi,..., m n
mi =
n =1
h1 + hi +1
2
(41)
(42)
где h0=m0=0.
16
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Мы предполагаем, что один слой георешетки воспринимает полную поперечную горизонтальную силу Fgi,
которая равна разнице между значениями горизонтальной активной силы по Ранкину, рассчитанными в двух
уровнях посередине между рассматриваемой георешеткой и решетками, расположенными ниже и выше:
Fgi = Fhr ( mi −1 ) − Fhr ( mi )
(43)
Коэффициент запаса прочности для предотвращения перенапряжения слоя георешетки FSti в этом случае
рассчитывается по:
FSti =
Fgi
(44)
P
Коэффициент запаса прочности для предотвращения перенапряжения слоя георешетки должен быть рассчитан
для всех слоев георешетки с учетом каждого уровня hi и типа tj. Когда все вышеупомянутые коэффициенты
запаса прочности для предотвращения перенапряжения FSti больше, чем требуемый коэффициент запаса FSt ,
тогда стена хорошо армирована с точки зрения анализа разрушения вследствие перенапряжения. Если любой из
вышеуказанных коэффициентов запаса не достаточно велик, тогда конструкция должна быть изменена в
соответствии со следующими рекомендациями:
A) Уменьшить расстояние между георешетками
B) Увеличить количество слоев георешеток
C) Использовать георешетку TENAX с большей долговременной прочностью на разрыв
D) Использовать засыпаемый грунт с большим коэффициентом внутреннего трения
E) Использовать комбинацию вышеперечисленных пунктов от A) до D) или
предоставляемые конкретными условиями строительной площадки.
другие
возможности,
10.2 Анализ разрушения вследствие отрыва георешетки
Когда расположение георешетки было окончательно определено, выполняется анализ разрушения вследствие
отрыва георешетки для того, чтобы проверить, что длины георешеток достаточны для восприятия расчетных
нагрузок Fgi. Линия разрушения по Ранкину, проходящая через подошву стены, делит длины георешеток на две
части, одну, находящуюся вблизи лицевой поверхности стены в активной призме La, и другую, расположенную
позади в зоне сопротивления Le, как показано на рисунке 8. Экспериментальные данные (Кристофер (Christopher)
и др., 1989) показывают, что для вертикальных стен с "растяжимой" арматурой, подобной георешеткам, линия
разрушения располагается весьма близко к линии Ранкина.
Поверхность разрушения может быть определена плоскостью, проходящей через подошву стены и наклоненной
⎛
⎝
под углом, равным ⎜ 45 −
φr ⎞
⎟ , к вертикали. Активная длина георешетки Lai и длина закопанной георешетки Lei
2⎠
задаются:
Lai = hi ⋅ tan (45° − φr / 2)
(45)
Lei = Li − Lai
(46)
где Li – конкретная длина слоя георешетки на уровне hi.
17
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 8 – Анализ отрыва георешетки
Сила сопротивления отрыву обеспечивается касательными напряжениями между грунтом и георешеткой и
пассивным сопротивлением между грунтом, сцепленным с отверстиями в георешетке, и поперечными прутьями
георешетки. Свойства прочности георешетки на отрыв выражаются коэффициентом отрыва грунта-георешетки
(Cpo).
Силы отрыва (Pri) на закопанной длине арматуры (Lei) задаются:
Pri = 2 ⋅ C po ⋅ Lei ⋅ σ vi ⋅ tan φr
(47)
где:
σ vi = ( h − h1 ) ⋅ γ r + q +
Wei
Lei
(48)
и:
Wei = 0,5 ⋅ ( Lai + Li ) ⋅ tan β ⋅ γ r ⋅ Lei
(49)
Длина георешетки Li должна быть всегда выдержана равной или большей, чем длина армированного блока L в
основании стены, когда уровень расположения георешетки ниже двух третей высоты стены. Тогда для более
высоких уровней расположения георешетки длина арматуры может быть
осмотрительно уменьшена.
Коэффициент запаса прочности на отрыв FSpi для каждого слоя георешетки рассчитывается следующим
образом:
FS pi =
Pri
Fgi
(50)
Все коэффициенты запаса прочности на отрыв для всех слоев георешетки должны быть выше, чем требуемый
инженером-конструктором. Если они недостаточно велики, тогда должны быть выполнены следующие
усовершенствования:
A) Увеличить длину всех георешеток.
B) Увеличить длину георешеток, для которых коэффициенты запаса прочности на отрыв FSpi малы.
C) Уменьшить активное горизонтальное напряжение на слое георешетки, сократив расстояние между слоями
георешеток.
D) Увеличить вертикальное напряжение σV на слоях георешетки, уменьшив уровни расположения георешеток.
18
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
11. Местная устойчивость сегментных элементов подпорной стены
Когда стена строится с использованием сегментных элементов, таких как бетонные блоки, для облицовки,
должен быть выполнен дополнительный анализ для подтверждения того, что обеспечена устойчивость
облицовки.
Перед началом проектирования должна быть получена или определена следующая дополнительная
информация:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Высота единичного блока (м)
Глубина единичного блока (м)
Отстояние центра тяжести от лицевой поверхности (м)
Наклон сегментной подпорной стены (град.)
Наклон основания стены (град.)
Очевидное минимальное сопротивление сдвигу (пиковое
и соответствующее работоспособному состоянию) между
единичными блоками (кН/м)
Очевидное минимальное сопротивление сдвигу (пиковое
и соответствующее работоспособному состоянию) между
единичным блоком и георешеткой (кН/м)
Очевидный угол трения (пиковый и соответствующее
работоспособному состоянию) между единичными
блоками (град.)
Очевидный угол трения (пиковый и соответствующий
работоспособному состоянию)
между единичным блоком и георешеткой (град.)
Максимальная прочность соединения (пиковая и
соответствующая работоспособному состоянию)
между арматурой и единичным блоком (кН/м)
Hu
Bu
Gu
ω
α
au, a'u
acs, a'cs
λu, λ'u
λcs, λ'cs
Sc(max),S'c(max)
Значения очевидного минимального сопротивления сдвигу между единичными блоками и между единичным
блоком и арматурой определяются с помощью испытаний на прямой сдвиг, которые позволяют определить
отношение между прочностью на сдвиг на линии раздела уложенных друг на друга сегментных элементов и
нормальным давлением. Испытания выполняются с георешеткой между слоями бетонных элементов или без
нее. Нижний слой бетонных блоков защемлен в поперечном направлении, в то время как верхний слой
подвержен постоянному вертикальному давлению.
Поверхность раздела сдвигается с постоянной скоростью, пока не происходит разрушения.
Очевидное сопротивление сдвигу регистрируется в пиковом значении и после смещения на 10 мм.
Результирующие напряжения на сдвиге вычерчиваются относительно приложенных вертикальных напряжений и
линейно интерполируются для определения очевидного угла трения.
Зрительное распознавание структурных качеств композитной системы подпорной стены с сегментными
элементами, грунта и георешетки в значительной степени определяется местной устойчивостью, и на нее
оказывают влияние строительные процедуры. Между элементом стены и геосинтетической арматурой должна
быть достаточная прочность и жесткость, кроме этого геосинтетическая арматура должна быть разнесена по
высоте таким образом, чтобы поперечные силы имели значения меньше в безопасную сторону, чем прочность на
сдвиг элементов стены.
Перед началом анализа трех главных режимов разрушения, необходимо определить концепцию "высоты
шарнира".
Высота шарнира определяется максимальным числом единичных блоков, которые могут быть уложены один на
другой в изолированную колонну при наклоне облицовки (ω + α) без опрокидывания (рисунок 9).
Высота шарнира Hh определяется суммированием моментов относительно задней части основания стены и,
когда (ω + α) > 0 должна определяться по:
H h = 2 ⋅ [( Bu − Gu − 0 ,5 ⋅ H u ⋅ tanα) ⋅ cosα ] /tan(ω + α)
(51)
где:
Bu = ширина элемента стены
Hu = высота элемента стены
Gu = отстояние центра тяжести блока, засыпанного грунтом от лицевой поверхности.
19
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 9 – Высота шарнира
Вес на единицу ширины колонны блоков, используемых в следующей главе задается:
Ww = H h ⋅ γ u ⋅ Bu
(52)
где γu = вес на единицу объема блока засыпанного грунтом.
11.1 Прочность соединения облицовки
Поверхностное соединение между арматурой и блоками на каждом уровне расположения георешетки h(i) должно
иметь достаточную прочность соединения, чтобы исключить проскальзывание арматуры вследствие
прилагаемых усилий растяжения Fg(i).
Это консервативная оценка работы соединения георешетки, поскольку максимальное приложенное усилие
растяжения Fg(i) в арматуре возникает в ее пересечении с поверхностью внутреннего разрушения, а не на
задней стороне стены, за исключением места вблизи подошвы стены.
На прочность соединения георешетки Sc(i) на каждом уровне расположения арматуры h(i) оказывает влияние вес
стеновых элементов Ww(i), действующий на поверхность соединения (рисунок 10), и она может быть выражена
следующим образом:
Sc ( i ) = acs + Ww ( i ) ⋅ cosα ⋅ tan λ cs
(53)
Рисунок 10 – Прочность соединения облицовки
20
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Sc(i) не должно быть больше, чем Sc(max).
Может использоваться либо пиковый параметр, либо параметр, соответствующий работоспособному состоянию,
в зависимости от критичности конструкции. Достаточность прочности соединения на любом уровне
расположения слоя георешетки определяется сравнением ее с максимальной прилагаемой к арматуре
растягивающей нагрузкой Fg(i) с использованием следующего выражения:
FScs ( i ) = [ Sc ( i ) ⋅ cosα ] / Fg ( i )
(54)
где FScs(i) – это коэффициент запаса на прочность соединения георешетки.
Величина FScs(i) может быть увеличена путем сокращения расстояния по вертикали между арматурой.
11.2 Сопротивляемость выпучиванию облицовки
Выпучивание происходит, когда элемент стены не сохраняет своего относительного положения относительно
блоков, расположенных выше или ниже его. Относительное положение одного ряда по отношению к другим
поддерживается сопротивлением сдвигу. Следовательно, для стен из армированного грунта все элементы
должны обладать достаточным сопротивлением сдвигу, чтобы противостоять теоретическому горизонтальному
давлению земли, приложенному между слоями арматуры. Сопротивляемость выпучиванию определяется
величиной прилагаемого поперечного давления, вертикальным расстоянием между слоями арматуры и
сопротивлением сдвигу между элементами стены. Как указано на рисунке 11, сопротивление сдвигу Vh(i),
действующее в любой поверхности раздела, контролируется весом элементов стены Ww(i), действующим на
поверхность раздела и определяющим высоту шарнира.
Vh ( i ) = au ( i ) + Ww ( i ) ⋅ cosα ⋅ tanλ + Ww ( i ) ⋅ sinα
(55)
Может использоваться либо пиковый параметр, либо параметр, соответствующий работоспособному состоянию,
в зависимости от критичности конструкции. Суммарные горизонтальные действующие в земле усилия Ftb(i)
рассчитываются с использованием уравнения (24) для каждой промежуточной высоты стены mi. Максимальная
приложенная растягивающая сила в каждом слое арматуры Fg(i) может приниматься равной величине,
рассчитанной по уравнению (28).
{
}
FS fb ( i ) = (Vh ⋅ cosα ) / Ftb ( i ) − ⎡⎣ Fg (i + 1) + Fg (i + 2) + ... + Fg ( n )⎤⎦
(56)
где FStb(i) – коэффициент запаса прочности по фактору выпучивания облицовки.
Величина FStb(i) может быть увеличена либо изменением вертикального шага и увеличением количества слоев
георешетки.
Рисунок 11 – Выпучивание облицовки
21
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
11.3 Максимальное количество неармированных блоков
Блоки, расположенные над самым верхним уровнем арматуры, должны быть исследованы для того, чтобы
убедиться, что они будут работать как свободно стоящая подпорная стена. Исследование высоты верхней части
неармированной стены для режимов разрушения вследствие сдвига и опрокидывания выполняется тем же
образом, как анализ обычных стен.
Учитывая горизонтальную составляющую Ftbh активной силы земли Ftb, действующей на неармированной высоте
стены, и сопротивления на сдвиг Vh(i), действующего в последнем слое арматуры, мы получаем:
FS sc = Vh / Ftbh
(57)
Сопротивление опрокидыванию вокруг подошвы оценивается расчетом коэффициентом запаса прочности FSo,
как отношения суммы моментов внутренних сил к сумме опрокидывающих моментов, действующих относительно
подошвы неармированной стены.
FSo = M r / M d
(58)
Если получены неприемлемые значения FSsc и FSo, возможно уменьшить высоту неармированной части стены
введением дополнительного слоя арматуры вблизи верха стены длиной порядка 70% от высоты.
12. Анализ общей устойчивости
Общее перемещение массы конструкции стены и массы примыкающего грунта называется потерей общей
устойчивости. В соответствии с рисунком 10 коэффициент запаса прочности для подпорной стены из
армированного грунта FSgl может быть рассчитан как:
FS gl = ( M s + M g ) / M o = FSo + M g / M o
(59)
где:
Ms: стабилизирующий момент, возникающий вследствие сопротивления грунта сдвигу;
Mg: стабилизирующий момент, возникающий вследствие сил растяжения георешетки;
Mo: дестабилизирующий момент;
FSo : коэффициент запаса прочности для неармированной стены (без георешетки);
Ms, Mo и FSo могут быть рассчитаны с использованием модифицированного метода слоев Бишопа
(Bishop) или любого другого подходящего метода (Джанбу (Janbu), Моргенстена-Прайса (MorgenstenPrice) и т.д.).
Стабилизирующий момент, возникающий вследствие прочности на растяжение георешеток, может быть
рассчитан как:
M g = ∑ Fai ( x ) ⋅ bi
i
(60)
где:
Fai(x) = усилие растяжения в i-ом слое георешетки, в точке, в которой поверхность разрушения
пересекает георешетку;
bi
= плечо силы растяжения георешетки.
Коэффициент запаса прочности для общей устойчивости должен обычно иметь значение между 1,3 и 1,5.
Рисунок 12 показывает огибающую кривую действия Fa(x), которая обычно принимается для этого расчета
(Римольди и Риккиути (Rimoldi & Ricciuti), 1992).
22
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 12 – Анализ общей устойчивости
13. Пример проектирования
Мы должны спроектировать подпорную стену с использованием георешетки TENAX для армирования грунта.
Высота стены 6,0 м, максимальная временная нагрузка на гребень 10 кН/м2. Расчетный срок службы 120 лет.
Геометрия стены определяется несколькими параметрами, включая полную высоту (h), высоту закопанной части
(d), угол наклона верхнего откоса (β), распределение временной нагрузки (q) (см. рисунок 13).
Рисунок 13 – Некоторые проектные данные из примера и поперечное сечение армируемой насыпи
Временные нагрузки направлены вертикально и считаются равномерно распределенными вдоль всей длины
верхней поверхности.
Данные задачи суммированы на рисунках 14, 15 и 16.
Данный проектный пример решен с использованием программы проектирования TNXWall. TNXWall – это
программный пакет, разработанный отделом проектирования геосинтетики (TENAX Geosynthetics Design) для
проектирования подпорных стен из армированного грунта с использованием ориентированных в одном
направлении георешеток типа HDPE.
Программа выполняет анализ внешней устойчивости для определения размеров области, которая должна быть
армирована, анализ внутренней устойчивости для определения требуемой прочности на разрыв георешетки,
минимально необходимого количества слоев георешетки и минимальной требуемой длины для обеспечения
жесткого поведения армированного блока.
23
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Следующий рисунок, скопированный проектной программы TNXWall, показывает характеристики склона и
подпорной стены, необходимые в качестве исходных данных для проектирования.
Рисунок 14 – Входные данные по геометрии стены
Следующий рисунок, скопированный из программы TNXWall показывает характеристики грунта, определенные
для проектирования армированного грунта, грунта отсыпки и основания, и георешетки, выбранные из различных
типов доступных арматур.
Рисунок 15 – Характеристики грунта
Следующий рисунок, скопированный программы проектирования TNXWall показывает коэффициенты запаса
прочности, которые предлагаются для проектирования типичной вертикальной подпорной стены из
армированного грунта с георешетками Tenax.
Эти коэффициенты запаса прочности должны быть откорректированы в соответствии с конкретными условиями
строительной площадки, такими как геометрия стены, типы грунтов, строительные процедуры, полный срок
службы проекта, критичность конструкции и существующие правила.
24
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 16 – Ввод данных по коэффициентам и коэффициентам запаса прочности
Результаты, относящиеся к "Проектной процедуре анализа внешней устойчивости" (параграф 9) и получаемые
при использовании программы TNXWall, содержатся на следующих рисунках.
Для этого анализа принимается, что объем армированного грунта-георешетки ведет себя как жесткий блок. Этот
блок подвержен обычным механизмам разрушения подпорных стен, таким как: сдвиг, опрокидывание, потеря
несущей способности.
На этом проектном этапе будут определены размеры участка, который должен быть армирован.
Во время анализа внешней устойчивости пассивным сопротивлением грунта основания под подошвой стены и
вертикальными движущими силами отсыпки пренебрегают, и они полагаются равными нулю для простоты и
обеспечения безопасности.
Рисунок 17 – Анализ внешней устойчивости (1)
25
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 18 – Анализ внешней устойчивости (2)
Результаты, относящиеся к "Проектной процедуре анализа внутренней устойчивости" (параграф 10) и
получаемые при использовании программы TNXWall, содержатся на следующих рисунках.
Этот анализ выполняется на объеме грунт-георешетка для определения требуемой прочности на разрыв
георешетки, минимального требуемого количества слоев георешеток и минимальную требуемую длину для того,
чтобы обеспечить жесткое поведение армированного блока. К типичным видам анализа внутренней
устойчивости относятся: расположение слоев георешетки, разрушение вследствие перенапряжения георешетки
и разрушение вследствие отрыва георешетки.
Рисунок 19 – Анализ внутренней устойчивости
Рисунок 20 – Анализ перенапряжения георешетки
26
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 21 – Анализ отрыва
Следующий рисунок из программы проектирования TNXWall позволяет определить требуемое количество
георешеток для всего проекта.
Рисунок 22 – Количество георешеток
Окончательное расположение георешеток дано ниже.
27
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
Рисунок 23 – Окончательное расположение георешеток
28
Человек, Технология, Среда
Подпорные стены из армированного грунта с использованием георешеток TENAX
14. Ссылки
Джонс, Колин Дж. Ф.П. (Jones, Colin J.F.P.), Армирование грунта и конструкции из грунта, Butterworths, London,
England (1985).
Специальная комиссия 27, Технология улучшения грунта на месте залегания, рекомендации по
проектированию с использованием растяжимой арматуры для стен из механическим способом
стабилизированного грунта в постоянных сооружениях, Совместный комитет AASHTO-AGC-ARTBA, AASHTO,
Washington, D.C. (1990).
Кристофер, Б.Р. (Cristopher, B.R.), Хольц, Р.Д. (Holtz, R.D.), Техническое руководство по гео-текстилю, Отчет
№ FHWA-TS-861203, Федеральная службы дорог (Federal Highway Administration), Washington, D.C. (1986).
Кристофер, Б.Р. и другие, Конструкция из армированного грунта: Том I, Руководство по проектированию и
конструированию, Отчет № FHWA-RD-89-043(1989).
Симак, М.Р. (Simac, M.R.), Батхерст, Р. Дж. (Bathurst, R.J.), Гудрам, Р.А. (Goodrum, R.A.), Проектирование и
анализ трех подпорных стен из армированного грунта, Материалы конференции Geosynthetic '91, том 2,
Atlanta (1991).
Симак, М.Р., Батхерст, Р. Дж. и другие, Руководство по проектированию сегментных подпорных стен,
Национальная ассоциация бетонного строительства (National Concrete Masonry Association), Herndon, Virginia
(1993).
Римольди, П. (Rimoldi, P.), Тогни, А. (Togni, A.), Метод испытаний строительных повреждений для георешеток
и гео-текстиля, Материалы 9-ой Азиатской региональной конференции по механике грунтов в
фундаментостроении (9 ARC), Bangkok, Thailand (1991).
Римольди, П., Тогни, А., Взаимодействие грунта и гео-синтетических материалов в испытаниях на прямой
сдвиг и отрыв, Материалы международного симпозиума по земляным работам Sardinia '91, Cagliari, Italia (1991).
Монтанелли, Ф. (Montanelli, F.), Римольди, П., Испытания ползучести и ускоренной ползучести для
георешеток, Материалы конференции по геосинтетике '93, Vancouver, British Columbia (1993).
Технический отчет, (2003), Оценка применения георешеток TENAX TT SAMP для армирования грунта,
Отделение геосинтетики Tenax SpA, Viganò (LC), Italy.
Istituto per le Tecnologie della Costruzione ITC-CNR, Система армирования и стабилизации грунта с помощью
георешеток, Сертификат технического одобрения № 580/02, май 2002, San Giuliano Milanese, Milano.
Институт строительства из текстиля и природных технологий (Institute for Textile building and environment
technology) tBU, CE MARKING CERTIFICATE N. 0799-CPD-25, сентябрь 2002, Munster, Germany.
SGS Société Générale de Surveillance S.A., Progettazione, produzione e commercializzazione a marchio TENAX di reti,
geogriglie, geocompositi, strutture tridimensionali estruse a base polimerica e prodotto correlati, Quality Certificate ISO
9001 / UNI EN ISO 9001 N. 93.008, January 2003 – Ed. 2000, SGS Italia S.r.l, Milano, Italia.
29