Московский государственный университет природообустройства

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
«РОЛЬ МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА В РЕАЛИЗАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ»
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
Москва 2008
УДК 624.01
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДПОРНЫХ СТЕН
И.Е. Панкратов – аспирант
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В статье приведена классификация различных конструкций подпорных стен. Особое
внимание уделено материалосберегающим конструкциям. В частности, рассмотрены
конструкции подпорных стен с применением мембранных материалов и армированного
грунта. Отмечены подпорные стены с применением железобетонных оболочек различной
формы, стены из габионов и анкерно-контрфорсные стены.
Classification of various retaining walls structures is given in the article. It gives special
attention to material saving structures. Particularly this article talks us about structures of
retaining walls with membrane materials and reinforced earth. Retaining walls with application
of reinforced concrete shell structures of the various shapes, gabion walls and anchor counterfort
retaining walls are noted.
В процессе своей деятельности строители часто сталкиваются с ситуацией, когда
грунтовый массив не может удержаться в равновесии сам по себе, в этот момент
возникает необходимость создать подпор грунта [1]. Эта задача появляется при
строительстве на участках с естественным или искусственным уклоном, со сложным и
разнообразным рельефом, при необходимости строительства зданий и сооружений,
возвышающихся над местностью, а также при возведении транспортных сооружений как в
выемках, так и в насыпях, укреплении стен котлованов. Она решается устройством
подпорных стен и шпунтовых ограждений различных конструкций. В последнее время
появились новые типы подпорных стен, отличающиеся значительно меньшей
материалоемкостью, а также применением новых синтетических материалов. По этой
причине расширение и совершенствование существующей классификации подпорных
стен является важной задачей.
Подпорной стеной называется сооружение, удерживающее грунт от обрушения в
откосах насыпей и выемок.
Грань стены, обращенная в сторону засыпки, называется задней, а грань, обращенная
в противоположную сторону – передней.
Различают следующие формы свободной поверхности грунта за подпорной стеной:
горизонтальную, поднимающийся откос, падающий откос, полуоткос, ломаную, не
спланированную.
Классификация подпорных стен может быть проведена по различным признакам.
1. По назначению исчерпывающая классификация затруднительна, так как в
настоящее время подпорные стены находят чрезвычайно большое и разнообразное
применение в строительстве. Однако можно все же разделить подпорные стены на степы,
поддерживающие насыпи, и стены, ограждающие выемки.
2. По характеру работы нужно различать подпорные стены, отдельно стоящие и
связанные с примыкающими сооружениями. Кроме того, следует различать подпорные
стены, не подвергающиеся давлению воды, и гидротехнические.
3. По высоте подпорные стены подразделяются на низкие – высотой до 10 м,
средние – высотой от 10 до 20 м и высокие – высотой более 20 м [2]. Отметим, что одна
из самых высокая подпорных стен, сооруженная на Волжской ГЭС им. В.И. Ленина,
имеет высоту более 40 м. Также в Пакистане возведена подпорная стена из армированного
грунта аналогичной высоты (около 40 м) [3].
4. По материалу подпорные стены могут изготавливаться из железобетона, бетона,
бутобетона, бутовой или кирпичной кладки, различных деревянных или металлических
конструкций. В последнее время, особенно в зарубежной практике строительства все
шире применяются подпорные стены с применением современных синтетических
материалов.
5. По принципу работы различают следующие типы подпорных стен:
5.1. Гравитационные подпорные стены, которые в свою очередь можно разделить на
массивные, полумассивные, тонкоэлементные и грунтозаполненные.
5.1.1. Массивные подпорные стены, устойчивость которых обеспечивается в
основном их собственным весом и материал (бетон, бутовая или кирпичная кладка)
испытывает преимущественно сжимающие напряжения. В зависимости от наклона задней
грани можно разделить подпорные стены на крутые пологие и лежачие. В зависимости от
формы поперечного сечения – на прямоугольные, трапецеидальные с наклонной задней
и/или передней гранью, наклоненные в сторону засыпки, со ступенчатой задней гранью, с
разгрузочной площадкой и др.;
5.1.2. Полумассивные подпорные стены, устойчивость которых обеспечивается как
собственным весом стенки, так и весом грунта, лежащего на фундаментной плите. Такие
стены обычно представляют собой конструкцию из армированного бетона, в которой
растягивающие усилия воспринимаются стальной арматурой.
5.1.3. Тонкоэлементные (или уголкового типа) подпорные стены, обычно состоят из
жестко связанных друг с другом лицевых и фундаментных плит. Устойчивость стен этого
типа обеспечивается в основном весом грунта над фундаментной плитой и лишь в
небольшой степени собственным весом [2]. Они получили наиболее широкое
распространение в строительстве. Такие стены могут выполняться с разгрузочными
площадками, фундаментные плиты могут изготавливаться горизонтальными, для
увеличения сопротивления сдвигу – наклонными и с шипом.
По конструкциям уголковые подпорные стены могут быть выполнены монолитными,
сборно-монолитными, а также сборными. Сборные уголковые стены могут изготовляться
заводским способом – серийно и высокого качества. Сборные уголковые подпорные
стены позволяют экономить время строительства, улучшить качество и контроль изделий
[4]. Хорошо изученным вариантом уголковых подпорных стен являются стены-оболочки.
Они состоят из лицевой плиты в форме оболочки и фундаментной плиты, которая может
быть плоской или в виде оболочки [5]. В уголковых стенах наиболее целесообразно
использовать оболочки, момент сопротивления сечения которых возрастает сверху вниз в соответствии с ростом эпюры изгибающих моментов. Этим свойством обладают
оболочки типа гиперболического параболоида и коноида. Наряду с гиперболическими
параболоидами и коноидами, являющимися оболочками двойной кривизны, предложены
более простые формы оболочек – складчатые, которые не обладают указанным свойством
изменения момента сопротивления, но более технологичны при изготовлении, так как
состоят из отдельных плоских плит. Необходимо отметить, что во всех без исключения
случаях замены плоскостных конструкций железобетонных подпорных стен на
пространственные
достигается
существенный
технико-экономический
эффект,
заключающийся не только в резкой сокращении расхода материалов (особенно
арматурной стали), но и в снижении трудоемкости строительно-монтажных работ и
общей стоимости возведения стен [5]. К тому же, такие подпорные стены обладают
визуальной привлекательностью лицевой поверхности.
5.1.4. Грунтозаполненные подпорные стены состоят из различного рода конструкций
заполняемых грунтом. Это могут быть пустотелые ящики, устанавливаемые в один, два и
более яруса и заполняемые грунтом. Ящики могут изготавливаться из железобетона,
металлических профилированных листов. Сюда же следует отнести ряжевые (сквозные)
конструкции из сборных железобетонных блоков или металлических профилированных
листов. Широко распространенным вариантом грунтозаполненных подпорных стен
являются стены из габионов различных конструкций. Их достоинствами являются:
низкая материалоемкость;
высокая сопротивляемость нагрузкам;
коррозионная устойчивость от воздействия воды и грунта, атмосферных
воздействий, наносов;
проницаемость и пористость конструкций, которая обеспечивает дренирование
обратной засыпки;
гибкость, которая позволяет этой структуре поглощать осадки грунта без разрушения
сооружения [6].
Грунтозаполненные подпорные стены целесообразно выполнять биопозитивными,
заполнять их лицевую поверхность растительным грунтом с последующим посевом и
высадкой растений.
Устойчивость сооружения обеспечивается: а) собственным весом; б) собственным
весом и анкеровкой к армированному грунту обратной засыпки.
5.2. Контрфорсные подпорные стены состоят из фундаментной и лицевой
конструкций, для увеличения жесткости между которыми устраиваются контрфорсы или
поперечные ребра. Лицевая конструкция воспринимает горизонтальное давление грунта и
передает его на контрфорсы. Контрфорсы, в свою очередь, передают нагрузки на
фундаментную конструкцию. Традиционно, такие подпорные стены выполнялись из
железобетона с плотной лицевой частью и массивными контрфорсами. Более
экономичными решениями по расходу бетона и стали являются контрфорсные подпорные
стены, в которых в качестве лицевой конструкции используются различной формы
оболочки или мембраны, а контрфорс представляет собой буронабивную сваю выше
уровня грунта, две секущиеся сваи или сваю с уширением ствола ниже уровня грунта. В
контрфорсных подпорных стенках используются цилиндрические, параболические и
коноидалъные оболочки. Эти типы оболочек в направлении волны (то есть в направлении
пролета между соседними контрфорсами) работают преимущественно на сжатие с
небольшими краевыми моментами, что позволяет практически исключить рабочую
арматуру и значительно снизить толщину оболочки. Интересны коноидальнные оболочки,
стрела подъема которых возрастает сверху вниз пропорционально росту активного
давления грунта, поэтому оболочка равнопрочна во всех сечениях. Наряду с рядом типов
подпорных стен в форме оболочек предложено выполнение биопозитивных подпорных
стен, то есть стен с лицевыми плитами в форме оболочек, имеющих горизонтальные
площадки с открытым грунтом, в котором высаживают вьющиеся растения, и таким
образом получают озелененную вертикальную поверхность фасада. Известно, что именно
зеленая поверхность не вызывает усталости глаз водителей на автодорогах. Аналогично,
как свидетельствуют некоторые исследователи, воздействует и немонотонная лицевая
поверхность подпорных стен-оболочек [5].
Контрфорсным подпорные стены с вертикальным расположением мембран в
качестве лицевых элементов обладают пониженным расходом бетона и арматурной стали.
В качестве мембран могут применяться полотна из стеклопластика, стеклоткани,
полиэтилена, полипропилена. Такие стены могут быть с анкерами, удерживающими
контрфорсы, и без анкеров. Гибкая мембрана может иметь цилиндрическую (рисунок а)
или коноидальную форму (рисунок
б). С точки зрения экономии материалов
предпочтительнее коноидальная форма, то есть несколько напоминающая коноид форма
поверхности, принимаемая мембраной при уплотнении грунта засыпки. Так как тонкая
мембрана (толщиной меньше 1 см) весьма подвержена механическим повреждениям,
целесообразно устройство защитно-декоративного экрана на лицевой поверхности стены,
прикрепленного к контрфорсам (рисунок в). Для снижения расхода материалов
конструкция экрана может быть с проемами. Пространство между экраном и мембраной
можно заполнить грунтом, в который полезно высаживать декоративные растения. Таким
разделением функций (мембрана – несущая конструкция, а экран – ограждающая) может
быть создана легкая и выразительная подпорная стена.
Варианты материалосберегающих подпорных стен с применением мембранных материалов:
а) контрфорсные с цилиндрическими мембранами; б) то же, с коноидальными мембранами;
в) то же, с декоративным и защитным экраном; г) с мембранными лицевыми элементами и
гибкими, армирующими грунт анкерами; 1 – мембранный лицевой элемент; 2 – гибкий анкер;
3 – мембрана; 4 – рамка; 5 – грунт; 6 – защитный экран
Интересной конструкцией являются анкерно-контрфорсные подпорные стены. Они
состоят из лицевых плит и контрфорсов, расположенных со стороны грунтовой засыпки и
защемленных в ней, то есть являющихся одновременно жесткими анкерующими
элементами. Эти конструкции позволяют вовлечь грунт в работу сооружения и
реализовать несущую способность системы «сооружение-грунт», снизив при этом
материалоемкость конструкции [7].
5.3. Подпорные стены на свайном основании в отличие от стен на естественном
основании возводятся на сваях. Применяются они главным образом при недостаточных
прочностных характеристиках грунтов под подошвой подпорной стены. Нагрузки
предаются сваями на глубокие более прочные слои грунта. Существуют различные
варианты устройства свайного основания, различающиеся видом применяемых свай, их
взаимным расположением и технологиями возведения. Также возможны различные
варианты конструкции, воспринимающей горизонтальное давление грунта. Это может
быть массивная стена, уголковая в форме плоской плиты или оболочки, жестко связанной
со свайным ростверком.
5.4. Подпорные стены из свай представляют собой подпорные сооружения,
выполняемые из свай различных видов и технологий возведения, которые могут
располагаться в один или более рядов. Ряды свай целесообразно объединять общим
ростверком. В 1963 году в нашей стране впервые была построена двухрядная свайная
стена на оползневом участке Дальневосточной железной дороги [8].
5.5. Подпорные стены из армированного грунта. Это подпорные стены с лицевыми
элементами в виде малоразмерных сборных плит или оболочек из металла, железобетона,
бетона или пластмасс и заанкеренных в насыпной грунт с послойным уплотнением с
помощью гибких полосовых анкеров, сеток или сплошных мембран. Хотя они получили
название конструкций из армированного грунта, было бы правильнее сказать, что они
являются стенами с применением армированного грунта и сборных лицевых плит.
Развиваются методы армирования насыпного грунта с последующим уплотнением, в том
числе послойное армирование полосами или мембранами, и дисперсное армирование
добавкой в грунтовую смесь синтетических волокон. Преимущества армирования
заключаются в возможности все большего включения в работу объема грунта.
Следует отметить полностью мембранные подпорные стены, в которых гибкие
мембраны, воспринимающие давление грунта, передают усилия на анкерные
горизонтально расположенные мембраны [3].
Подпорные стены из армированного грунта могут являться альтернативным
вариантом практически во всех случаях применения традиционных подпорных стен
различных конструкций [6].
5.6. Тонкие (консольные) подпорные стены, устойчивость которых обеспечивается
защемлением их в основание. К этому типу относятся шпунтовые подпорные стены, а
также возведенные методом «стена в грунте». Для уменьшения глубины заложения таких
стенок, размеров их сечения, а также для повышения их жесткости применяются
грунтовые анкеры различных конструкций, либо армирование грунта обратной засыпки,
что снижает боковое давление грунта на стену [9].
Предложенная классификация далеко не исчерпывают всего существующего
многообразия конструкций. Она может быть уточнена с совершенствованием старых и
появлением новых конструкций.
Библиографический список
1. Устойчивость сооружений. Подпорные стены. Своды. Учебное пособие. – Киев, 1908.
2. Клейн Г.К. Расчет подпорных стен. – Ярославль: Высшая школа, 1964. 196 с.
3. Тетиор А.Н. Экологичные подпорные и шумозащитные стены. – М.: МГУП, 2006.
174 с.
4. ВМ-КЖ-4.1-74 Справочные данные по подпорным стенам. – М., 1974. Вып. 1.
5. Тетиор А.Н. Пространственные конструкции фундаментов: Учеб. пособие. – Киев:
УМК ВО, 1988. 259 с.
6. Каганов Г.М., Евдокимова И.М., Шевченко К.И.. Гидротехнические сооружения
армированного грунта. Учебное пособие. – М., 2004. 607 с.
7. Соколов А.Д. Анкерно-контрфорсные конструкции подпорных стен и устоев мостов и
новые методы их расчета. Автореф. дис…. канд. техн. наук. – М., 2000.
8. Полевиченко А.Г. Расчет свайной подпорной стены для укрепления неустойчивых
откосов и склонов: препринт № 65. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. 25 с.
9. Иванов А.В. Взаимодействие тонкой подпорной причальной стенки с обратной
засыпкой, армированной гибкими полотнищами. Автореф. дис…. канд. техн.наук. –
М., 2006.