Усиление подпорных стен контрфорсами

Обновлено: 02.05.2024

Контрфорс подпорной стены – это вертикальная несущая распорная конструкция, предназначенная для снижения внутренних усилий в конструкции подпорного сооружения.

Предназначение и область применения контрфорсов для подпорных стен

Как показывает наш анализ, вопросы применения контрфорсов при строительстве подпорных стен плохо освещены как в технической литературе, так и интернете. В результате имеем ситуацию, когда люди не находят нужную информацию по этой теме. Ниже постараемся ответить на главные вопросы, связанные с применением контрфорсов.

Рассмотрим классическую монолитную железобетонную уголковую подпорную стену. Как известно, основная нагрузка на подпорные стены – это горизонтальное давление грунта. Для восприятия этой нагрузки необходимо соблюдение двух основных условий:

1 – фундаментная плита должна сохранять свое положение, что обеспечивается за счет грунтового пригруза и сил трения на контакте «подошва – грунтовое основание»

2 – лицевая плита должна сохранять свое положение за счет жесткого защемления в фундаментной плите.

Если не соблюдается первое условие, то происходит разрушение по схеме сдвига или опрокидывания.

Соблюдение первого условия достигается за счет правильного определения размеров подпорной стены, правильной подготовки грунтового основания, правильной обратной засыпки и т.д.

Если не соблюдается второе условие, то происходит разрушение по схеме опрокидывания лицевой плиты.

Соблюдение второго условия достигается за счет правильного определения толщин элементов подпорной стены, правильного подбора армирования, правильного конструирования железобетонных конструкций.

Контрфорсы для подпорной стены нужны тогда, когда выполнение второго условия экономически и/или технически нецелесообразно при консольной схеме работы.

Как правило, такая необходимость возникает, когда удерживаемый перепад высот больше 7 м, что отражено в пункте 6.3.3 СП 381.1325800.2018 «Сооружения подпорные. Правила проектирования».

При меньших перепадах использовать контрфорсы не рекомендуется, т.к. это сильно усложнят производство работ, и приводит к удорожанию строительства.

Эффект от применения контрфорсов заключается:

в снижении внутренних усилий в конструкциях подпорного сооружения, вследствие чего толщина и армирование уменьшаются;
в снижении деформаций и прогибов лицевой плиты (предельный прогиб верха стены не должен превышать величины hо/75, где ho – высота стены от ее верха до уровня сопряжения с плитой);
в повышении надежности подпорного сооружения, поскольку надежная работа всей системы больше не зависит от одного узла (важно помнить, что узел сопряжения лицевой плиты с фундаментной является уязвимым местом, поскольку там рабочий шов бетонирования и максимальные значения усилий).

Очевидно, что все перечисленные положительные эффекты от применения контрфорсов появляются за счет того, что контрфорсы включаются в совместную работу, и берут на себя часть нагрузки, частично разгружая лицевую плиту.

Расчетный анализ влияния контрфорсов на прогибы, армирование и толщины элементов подпорных стен

Расчет подпорной стены с контрфорсами

Прогиб верха лицевой плиты – 7,4 мм.

Рабочее вертикальное армирование лицевой плиты – d28 S200 A400.

Толщина корневого сечения лицевой плиты – 400 мм.

Расчет подпорной стены без контрфорсов

Прогиб верха лицевой плиты – 16.4 мм.

Рабочее вертикальное армирование лицевой плиты – d32 S200 A400.

Толщина корневого сечения лицевой плиты – 750 мм.

Пример армирования подпорной стены с контрфорсами

Назначение размеров контрфорсов, расстояния между контрфорсами и т.д.

Из анализа данной статьи читатель может понять, что:

контрфорсы нужны только для высоких подпорных стен, за крайне редкими исключениями;
наличие контрфорсов значительно усложняет расчет подпорной стены, т.к. это уже пространственная конструкция, которую можно правильно рассчитать только в 3D.

Исходя из приведенных выше выводов, можно сделать другой важный вывод – проектирование подпорной стены с контрфорсами требует привлечения высококвалифицированных специалистов с соответствующим опытом. Запроектировать подобные подпорные стены на базе «простых» расчетов не получится.

Следует учитывать, что с подпорными стенами высотой от 2 метров (ориентировочно) любая самодеятельность крайне опасна, т.к. эти сооружения удерживают большие объемы грунта, и при разрушениях может быть причинён крупный ущерб, к сожалению, не только экономический.

Если Вам нужная подпорная стена, но нет денег на проектирование, следует использовать типовые проекты, надежность которых уже проверена.

Необходимость усиления подпорных стен возникает в связи с потерей их устойчивости при увеличении нагрузок на засыпку или изменении физико-механических свойств грунтов, а также при разрушении материала стен под действием коррозии и других факторов. Подпорные стены можно усиливать корневидными и анкерными сваями, грунтовыми анкерами, контрфорсами, обоймами, а также устройством дополнительных ограждений и другими способами.

Усиление подпорных стен корневидными сваями производится без разработки траншей и котлованов, при этом корневидные сваи проходят через существующую кладку под любым углом наклона, связывая стенку с грунтом. Корневидные сваи целесообразно применять при устройстве глубоких выемок в непосредственной близости от существующих зданий.

Подобные случаи часто возникают при реконструкции городов и промышленных комплексов, а также транспортных сооружений. Более глубокие фундаменты стремятся разместить как можно ближе к существующим фундаментам, подвалам или подпорным стенам. В этих условиях оправдывается применение подпорных стен, усиленных корневидными сваями.

В стесненных условиях для усиления подпорных стен рационально применять грунтовые анкеры (рис. 6.10, а), предназначенные для восприятия и передачи горизонтальных усилий на глубокие слои грунта. Заделка анкера расположена за пределами призмы обрушения. Грунтовый анкер устраивают в наклонной скважине, которую выполняют различными способами (бурением, продавливанием). В нижней части скважины сооружают уширение, воспринимающее выдергивающую нагрузку. Бетонную смесь нагнетают в скважину с помощью бетононасоса или растворонасоса. Перед бетонированием в скважину закладывают анкерные стержни, имеющие на нижнем конце шайбу, а на верхнем — резьбу для гайки. Натяжение анкера производится домкратом и фиксируется гайкой. Диаметр скважины составляет 100—200 мм. Более подробно технология устройства грунтовых анкеров и схемы их расчета описаны в гл. 7 настоящей работы. В некоторых случаях задача усиления решается устройством контрфорсов (см. рис. 6.10, б), размещаемых через определенные расчетом расстояния.

При значительном ухудшении физико-механических и прочностных характеристик грунт за подпорной стенкой может быть частично заменен прочным дренажным материалом — песком, щебнем или камнем. Такой материал повышает прочностные характеристики грунтовой засыпки за подпорной стенкой, частично воспринимает нагрузку от оставшегося слабого грунта и одновременно играет роль застенного дренажа. Засыпка из дренажного материала в зависимости от условий производства работ и высоты подпорной стенки выполняется на полную глубину или частично. Поперечное сечение каменной засыпки рекомендуется принимать треугольного очертания [10, с. 87].

В Сочи потерявшая устойчивость подпорная стена на Курортном проспекте была усилена обоймой и частичной отрезкой призмы обрушения (рис. 6.11). Из-за увлажнения суглинков, составлявших грунты за подпорной стеной, активное давление грунта на стенку увеличилось. В результате стена наклонилась над тротуаром на величину до 40 см, а ее верхняя часть разрушилась.

1 — подпорная стенка; 2 — железобетонная обойма; 3 — ростверк; 4 — ряд буронабивных свай (с шагом 1,7 м); 5 — линия скольжения призмы обрушения

После детального анализа условий работы подпорной стенки были разработаны и выполнены мероприятия, которые заключались в следующем.

Существующая подпорная стена сверху была разобрана на величину нарушенной кладки и до отметки заметного отклонения (с учетом возможности раскопки засыпки за стенкой из условия безопасности близко расположенных зданий). Разобранная кладка была заменена новой. Ввиду того, что при деформации подпорной стены трещины развились практически до самого фундамента, вся подпорная стена была взята в железобетонную обойму. Для уменьшения активного давления грунта на подпорную стену часть призмы обрушения была отрезана рядом буронабивных свай диаметром 1020 мм и длиной 14 м, сваи располагались на расстоянии 1,7 м одна от другой и были объединены поверху железобетонным ростверком. В свету расстояние между сваями составило 680 мм, что обеспечило непродавливание грунта между ними благодаря проявлению арочного эффекта. Существующая подпорная стена совместно с железобетонной обоймой была рассчитана на давление от ограниченного объема грунта в соответствии с изложенной в п. 6.3 методикой. Длина буронабивных свай рассчитывалась из условия необходимой заделки их ниже линии скольжения (см. гл. 7).

Для облегчения работы подпорной стены могут применяться и так называемые анкерные сваи. Такие сваи устраивают (или забивают при применении сборных свай) за пределами призмы обрушения. Поверху свай изготовляется железобетонный ростверк, в который заделывают концы металлических тяжей. Другие концы тяжей заделывают в шапочный брус, изготовляемый поверху усиливаемой подпорной стенки. Шапочный брус должен жестко соединяться с существующей подпорной стенкой, для чего арматура последней оголяется и к ней приваривается арматура шапочного бруса. Тяжи могут быть изготовлены из круглого металла диаметром 40—60 мм или из прокатных профилей. Тяжи должны обетонироваться или покрываться качественным антикоррозионным покрытием. Как правило, тяжи стремятся располагать ниже поверхности грунта. Следует помнить, что при применении анкерных свай и тяжей усиливаемая подпорная стена начинает работать по схеме однопролетной балки, следовательно, такой способ целесообразнее применять при усилении железобетонных подпорных стен. При усилении бутовых стен этот способ можно использовать только после тщательного анализа, выполнения расчетов и проектирования усиления самой конструкции стены.

Швец В.Б., Феклин В.И., Гинзбург Л.К. Усиление и реконструкция фундаментов

При сравнительно невысоких склонах устраивать сплошной контрбанкет иногда становится нецелесообразным. В таких случаях контрбанкет делают прерывистым по ширине склона, т.е. он фактически превращается в контрфорсы.

Контрфорс представляет собой поперечный вертикальный выступ, ребро или стенку, усиливающий основную несущую конструкцию (в данном случае склон) и принимающий на себя давление грунта. Для укрепления склона чаще всего применяют грунтовые контрфорсы, укрепленные камнем, или контрфорсы полностью из камня. При невысоком склоне с расположенным на нем зданием, которое требует усиления, могут применяться бетонные контрфорсы, укрепляющие одновременно склон и стену здания (рис. 7.3, а).

При укреплении высоких оползневых склонов применяют контрфорсы из камня и щебня. Такие контрфорсы, создавая отпор, могут одновременно служить для отвода из толщи склона грунтовых вод, в таком случае они называются контрфорсными дренажами (рис. 7.3, б).

1 — поверхность склона; 2 — усиливаемое здание; 3 — бетонные контрфорсы; 4 — первоначальная поверхность оползня; 5 — контрфорсные дренажи; 6 — возможная поверхность оползня; 7 — линия срыва (закольная трещина)

Заглубление контрфорсного дренажа определяется положением возможной наиболее глубокой поверхности оползания неустойчивых грунтов; расположение же и заглубление откосных дренажей, работающих только для сбора и отвода вод, определяется самой пониженной точкой скопления или выхода подземных вод. Контрфорсные дренажи выполняют таким образом, что их нижняя ступенчатая грань пересекает наиболее опасную поверхность скольжения.

Контрфорсные дренажи обычно устраивают: из каменной наброски, тщательной сухой, каменной кладки с засыпкой пустот чистым крупнозернистым песком; смешанного типа — наружные грани выполняют из сухой каменной кладки, а внутреннюю полость заполняют гравелисто-песчаными грунтами; из щебенистых или гравелистых грунтов. Наилучшим осушительным действием обладают контрфорсные дренажи из фильтрующего (дренажного) материала — гравия, щебня, каменной наброски. Однако для повышения устойчивости контрфорсных дренажей из щебня или гравия в верхней части каждого дренажа следует устраивать подпорную стенку из каменной сухой кладки.

Схема расчета контрфорсных дренажей еще в 1952 г. была предложена инж. Б.В. Пащенко. Приведем эту схему расчета, несколько преобразования ее [89, 92, с. 24].

СН 519-79 Инструкция по проектированию и строительству противооползневых и противообвальных защитных сооружений

На рис. 7.3, б, кривая niF — установленная инженерно-геологическими изысканиями первоначальная поверхность скольжения до устройства дренажей; CiF — возможная наиболее опасная поверхность скольжения после прекращения осушающего действия дренажей (верхняя граница этой поверхности доходит до уплотненной зоны BCD, образующейся в соответствии с теорией арочного эффекта [92, с. 29—34]). Введем обозначения: q₁ — полный вес земляного массива ABCBEFA после устройства контрфорсных дренажей (сползание грунта возможно по поверхности CiF ); q₂ — вес клина niC, заключенного между первоначальной поверхностью скольжения niF и поверхностью СiF; α₁ и α₂ — углы наклона к горизонту касательных к поверхности CiF и niF в местах пересечения их силами q₁ и q₂ ; φ₁ и c₁ — соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление для случая полного увлажнения оползающих грунтов при плотности их, соответствующей плотности грунтов в естественном залегании до устройства контрфорсных дренажей; φ₂ и с₂ — то же, при наибольшем возможном уплотнении оползающих грунтов.

Смещения оползневого массива после устройства контрфорсных дренажей не произойдет, если

(7.3)

где поверхность (ABCDEFA) представлена в виде клина.

С другой стороны, при правильно назначенном расстоянии между дренажами L грунты, залегающие выше пояса BCD (см. рис. 7.3, б) вследствие уплотнения смещаться не будут, даже если произойдет некоторое смещение грунтов склона, залегающих ниже этого пояса; поэтому условие устойчивости клина С in представится выражением:

(7.4)

где поверхность ni в плане имеет контур DCBnr (данный расчет можно вести и на единицу длины между дренажами).

Вес q₁ зависит от расстояния L между дренажами и расстояния S₂ от подошвы склона до пояса уплотненного грунта; вес q₂ — от разницы расстояний ( S₁ – S₂ ), т.е. при известном расстоянии S₁ от подошвы склона до места срыва первоначальной поверхности скольжения (например, крайняя вверх по склону закольная трещина) вес q₂ зависит лишь от расстояния S₂ . Зная на основе инженерно-геологических изысканий расстояние S₁ , принятую длину контрфорсных дренажей l₀ а затем построив поверхность возможного сползания CiF, найдем величины S₂ и q₂ .

Неизвестная поверхность скольжения СiF принимается в верхней части Ci цилиндрической, а в нижней части iF — совпадающей с основной поверхностью скольжения niF . Точка i является общей для поверхностей CiF и niF . Задаваясь различными кривыми Ci , можно определить крайнее положение точки С, в котором клин Сin будет находиться в устойчивом состоянии. Положение точки С должно быть таким, чтобы соблюдались зависимости: S₂ > l₀ и уравнение (7.4). Из уравнения (7.3) можно определить искомое расстояние между дренажами L , которое входит в выражение для определения веса q₁ .

Геометрические размеры контрфорсных дренажей следует назначать исходя из того, что основание дренажа должно быть ниже известной поверхности скольжения, а длина дренажа l₀ должна быть такой, чтобы его задняя стенка ВВ₁ располагалась за точкой i . Задаваясь длиной дренажа l₀ , его расчетную ширину b _р определим с учетом того, что после выступления контрфорсных дренажей в действие и образования уплотненной зоны BCD на дренаж АВВ 1 А 1 будут действовать следующие силы: Е — от давления оползневого массива (ВnтВ 1 ), G₁ /2 — от давления половины оползневого массива ( В'_met ) и С₂ /2 — от давления половины оползневого массива (ВnrD). Если принять G₁ = G₂ = G , то сила, смещающая контрфорсный дренаж, будет равна Е + G .

Обозначая принятую площадь продольного сечения дренажа Ω , среднюю плотность его заполнения γ и коэффициент трения дренажного заполнения по грунту основания f , а также пренебрегая (в запас) трением дренажа о грунт по граням АВ и А 1 В 1 , при заданном коэффициенте устойчивости K з _у получим следующее условие устойчивости дренажа:

(7.5)

Если это условие не выполняется, то необходимо увеличить ширину или длину дренажа, или же увеличить вес дренажного заполнения. При заданном K з _у из формулы (7.5) находят ширину b_р .

Описанные конструкции контрфорсных дренажей были применены на отдельных перегонах Южной железной дороги, на косогорных участках нефтепровода "Дружба" и на других объектах. Как правило, они надежно стабилизировали оползневые участки горных склонов и искусственных откосов насыпей.

Швец В.Б., Феклин В.И., Гинзбург Л.К. Усиление и реконструкция фундаментов

Здравствуйте!
Столкнулся с такой проблемой: подпорная стена начала наклоняться и в некоторых местах давать трещина на всю высоту. Хотим усилить подпорную стену контрфорсами в местах где пошли трещины. Подскажите пожалуйста, нужно ли контрфорс связывать со стеной или нет (у меня такое мнение, что контрфорс же начнёт осадку давать и лучше его не связывать со стеной)? Ещё вопрос: какой лучше сделать фундамент для контрфорса? Думаю сделать мелкозаглубленный фундамент и поварьировать с его шириной подошвы, чтобы осадка была минимальна. Также мысль есть, чтобы сделать уширение в месте контакта со стеной, т.к. там будут большие напряжения.
Подскажите пожалуйста в правильном ли направлении я рассуждаю или нет? Также хотел попросить порекомендовать литературу на эту тему. Сам к сожалению ничего не нашел стоящего. Заранее благодарю!

Для начала надо найти чертежи или хотя бы схемы этой подпорной стенки. Без этого любые советы могут быть из разряда"пальцем в небо". Может, там уголковая стенка с подошвой в сторону здания. И тогда все рассуждения про фундамент не имеют смысла.
Если фундамента там всё же нет, то, думаю, что надёжней будет сделать фундамент из винтовых (или ещё каких-нибудь) свай под контрфорсы.

Трещины МОГУТ быть температурными, тогда контрфорсы к ним никакого отношения не имеют. Наклон - от разных причин возможен. Хоть обратная засыпка "не та" и давление выше расчётного. Я вот выпусков дренажа не заметил, может промерзает. Может основание не держит, может стена опрокидывается, может отломалась под землей. Вам выше верно написали, нужно установить конструкцию того что есть, и причины появления деформаций и трещин, геолога пригласите еще, пусть ручником пощупает грунты, да и очертание задней стенки им пощупать можно. Гадать можно долго и без особого эффекта. И те же контрфорсы желательно просчитать, а не по соображению устраивать. А пока маяки поставьте на трещины, да наклон попытайтесь мониторить по времени.

проектирование монолитных высотных зданий

Либо всё демонтировать и заново строить, либо сверху откапать грунт, вернуть всё в вертикальное состояние, загнать анкеры по расчёту, и обратно засыпать. Контрфорсы мало что решат, на мой взгляд, ну или дороже будут, чем анкеры.

Оснащение проходки горных выработок, ПОС, нормоконтроль, КР, АР

Offtop: Если ВСЁ дело в подпорной стене, то дешевле всего откопать позади примерно 1 м грунта. Плохо, но сработает.

Качество работ очень низкое по виду. Из-за этого скорее упадёт.

Сломается или упадёт вряд ли.

Качество работ очень низкое по виду. Из-за этого скорее упадёт

Это Вы как определили? Если самострой, чисто по "здравому" смыслу строителя, то очень даже и не вряд ли.

Здравствуйте, Дмитрий! Никаких чертежей нету. Тот, кто управлял всем возведением этой стены не был заинтересован в качестве выполненных работ!
Конечно, свайный фундамент был бы более уместен в данном случае, но т.к. особо возможности нету его сделать, хотим попробовать фундамент мелкого заложения. Если всё грамотно сделать, то думаю он будет хорошо выполнять свои функции! Просто вопрос в том: в правильном ли направлении я размышляю по устройству данного фундамента (размышления в описании)?

Здравствуйте, Дмитрий!
Никаких чертежей нету. Застройщик, который всё это возвёл не был вообще заинтересован в качестве выполненных работ. На контакт также не идет. Так что информации по конструктиву подпорной стенки у меня нету.
Конечно, свайный фундамент был бы более оптимальным вариантом, но т.к. особо возможности нету в его возведении, из-за этого хотим сделать фундамент мелкого заложения. Вопрос в том: насколько правильно я размышляю в его устройстве (размышления в описании)?

----- добавлено через ~2 мин. -----

Здравствуйте! Не подскажите литературу по данной технологии?

----- добавлено через ~4 мин. -----

Качество работ очень низкое по виду. Из-за этого скорее упадёт.

Здравствуйте! Хотелось бы всё таки, чтобы данная подпорная стенка ещё долго прослужила! Мне видится, что дополнительные контрфорсы смогут решить данную задачу.

Если необходимо рассчитать подпорную стену с контрфорсами, то за помощью обращаемся к литературе, например к СП 101.13330.2012, СП 43.13330.2012, пособию к СНиП 2.09.03-85, руководству по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства, к Клейну или к Линовычу. И находим "Тонкостенные контрфорсные подпорные стены состоят из трёх элементов: лицевой плиты, жесткого контрфорса и фундаментной плиты. При этом нагрузка от лицевой плиты частично или полностью передаётся на контрфорс". Всё понятно? Тогда начнём.

μ зависит от угла внутреннего трения грунта и находится по графикам из книги Линовича в районе 324 или 325 страницы.

По рекомендациям в рекомендациях найдём равнодействующую от давление грунта на контрфорс, для этого умножим равнодействующую на 1 м.п. на длину грузовой площади в плане $$E = l E = 5.25 \cdot 5.78 = 30.35 т.$$

Для получения опрокидывающего момента умножаем приведённую к контрфорсу равнодействующую на плечо, которое вычисляется как 1/3 от высоты стены (так как давление грунта на подпорную стену имеет треугольную эпюру, то равнодействующая находится в центре тяжести; и - высота стены - участок стены между уровнями грунта с лицевой и тыльной стороны) $$M_<опр>= E \cdot e = 30.35 \cdot 1.1 = 33.85 тм$$

Найдём удерживающий момент относительно точки, находящийся на краю контрфорса. Для этого определим вес подпорной стены и контрфорса.

Теперь необходимо плечо - расстояние от приложения нагрузки до точки, относительно которой находится момент. Определить это расстояние можно прибегнув к программе Консул, если, кончено, вы не на работе и у вас не вся рабочая недели впереди.

Исходя из тех же рекомендаций и если логически развивать мысль далее, то стенка работает как балка. В пролёте возникает растягивающий момент, который воспринимается бетоном, а на опоре горизонтальное усилие, воспринимающееся контрфорсом. Мы не переживаем за контрфорс, а вот проверить материал стены в центре - можно. Думаю вряд ли кто-нибудь будет спорить с предположением, что узел стыка контрфорса и стенки не является шарнирным, а следовательно момент в середине пролёта (между контрфорсами) будет равен $$M=\frac>=\frac>=5.78тм$$

Для бетона В7,5, из которого делаю блоки стен подвалов, расчётное сопротивление растяжению $$R_=\frac><\gamma_>=\frac=0.538 МПА=54,84 т/м2$$

Условие не выполняется и стенку необходимо усилить или, как вариант, уменьшить нагрузку. Так как условие не удовлетворяется примерно на 1%, то проще уменьшить нагрузку, нежели затевать усиление. Мы принимали в расчёте давление на грунт 200 кг/м2 и теперь самое время отказаться от этой затеи, выставив ограждение на метр-полтора от стены или повысить уровень земли с лицевой стороны, если позволяет рельеф.

Будьте внимательны! Данный расчёт лишь логическое движение мысли на основе знаний теоретической механики и сопротивления материалов, вызванное коротким и точным тезисом из наших нормативных документов.

Читайте также: