Горизонтальное давление грунта на опускные колодцы

При опускании колодца происходит постепенное, развивающееся снизу вверх обжатие его стен. Контактная с ними поверхность грунта, образуемая все более и более обжимаемой по мере погружения ножевой частью, имеет небольшую конусность.

Смещения грунтовой стенки следуют деформациям стенок колодца, но соответствуют только приросту и меньше их общей величины. Непрерывный контакт стен с грунтом наблюдается в ножевой части и колодцах с тиксотропной рубашкой и по всей высоте в конструкциях без наружных уступов.

В колодцах с уступами образующаяся по мере погружения их полость заполняется обрушивающимся сверху грунтом, который уплотняется силами трения. По периметру стен создаются те же условия линейно деформируемой среды, но с грунтом, в начальный период времени несколько разрыхленным. На рис. 7 показаны линии равных напряжений в грунте  в периоды опускания и эксплуатации колодца. При опускании структура грунта у стен колодца почти не изменяется. В период эксплуатации окружающий колодец грунт находится полностью в стабильном состоянии. По данным натурных замеров и выполненных автором расчетов, деформации грунтовой стенки  имеют порядок

 .

При малых деформациях и значительных глубинах колодцев окружающий их грунт с ненарушенной структурой сохраняет свойства линейно деформируемой среды и его давление на сооружение соответствует состоянию покоя.

Рис. 7. Линии ранных вертикальных напряжений  (1—12) при опускании (а) и эксплуатации (б) колодца.

Решению контактной задачи соответствуют условия весомого полупространства с подкрепленной полостью ограниченной глубины. В период погружения колодца полость подкрепляется только по боковым граням, а после устройства днища — по всей поверхности (рис. 8).

Проведенный автором анализ выявил, что железобетонные и бетонные колодцы по отношению к окружающему грунтовому массиву являются достаточно жестким телом и решение плоской задачи удовлетворяет точности, необходимой для практических расчетов круглых и прямоугольных в плане сооружений.

Для колодцев в стадии погружения напряженное состояние полуплоскости грунтового массива с вырезом может быть выяснено

Рис. 8. Схемы полуплоскости с полостью колодца:
а — в период погружения; б — в период эксплуатации.

наложением на основное напряженное состояние другого состояния, которое получается при загружении основания выреза обратно направленной равномерно распределенной нагрузкой  массы вышележащего грунта .

Основное напряженное состояние описывается условиями:
           .            (2.22)

Для некоторых грунтов  может быть принят по табл. 11. Для больших колодцев  желательно назначать по экспериментальным данным.

Дополнительные компоненты напряжений, возникающие благодаря наличию выемки, имеют локальный характер. Для рассматриваемой задачи напряженное состояние может быть описано аналитическими функциями комплексных переменных  и  П. И. Мусхелишвили. Следуя решению, имеем:

 ;             (2.23)

   ;             (2.24)

      ;             (2.25)

       ,              (2.26)

 где ;

  и V — координаты вектора смещений по осям декартовых координат х и у;

  — компоненты тензора напряжений;

    .                       (2.27)

 Контурные условия: при ;

  при у = 0;                           (2.28)

 На конформную плоскость параметрического переменного

                                                     (2.29)

 переходим при помощи преобразования

 .                  (2.30)

 Подставляем (2.29) в (2.30):

  .                       (2.31)

 Введем обозначение

.

 По формуле Келдыша—Седова для нашего случая будем иметь

   .                                (2.32)

 Решая действительную часть (2.30), получим

    ,                 (2.33)

 где  определяется по (2.31).

Расчетное давление грунта на стену

 ,                               (2.34)

 где  — горизонтальное давление грунта в ненарушенном грунтовом массиве (давление покоя) на уровне основания ножа колодца, т.е.

 ;                                  (2.35)

   — коэффициент, учитывающий отношение ширины колодца к глубине.

Графики коэффициента  даны на рис. 9. На глубине Н  не равно 0, а соответствует реакции отпора грунта изнутри колодца.

Это давление зависит от заглубления банкетки ножа ниже дна забоя.

После устройства днища (расчет на эксплуатационные нагрузки) эпюра горизонтального давления грунта на стены принимает треугольную форму, соответствующую давлению грунта в состоянии покоя (природное боковое давление). Максимальное давление в основании ножа равно . В колодцах с тиксотропной рубашкой на участке стены ниже рубашки (в расчетах для стадии опускания) для этой нагрузки принимают прямоугольную эпюру (по среднему значению). При этом уменьшают величину Р_гр на 25% за счет учета влияния арочного эффекта, возникающего у незакрепленного дна котлована.

 Рис. 9. Графики коэффициента :

 1 — ; 2 — ; 3 — ; 4 — давление покоя.

 Примеры:

1. Опускной колодец  и  м; грунты—суглинки пластичной консистенции.По табл. 11 находим . По рис. 9  и  при .

Для стадии погружения максимальное давление грунта

  т/м².

Максимальное давление будет на глубине  м.

Для стадии эксплуатации максимальное давление грунта

 т/м².

2. Опускной колодец  и  м; грунты-пески плотные;  т/м².

По табл. 11 и рис. 9 соответственно находим ,  и  при .

Для стадии погружения

   т/м²:

  м.

 Для стадии эксплуатации

   т/м².

Влияние грунтовых вод на горизонтальное давление грунтов.

Для влажного грунта, в котором водой заполнен не весь объем пор, а только некоторая его часть, в расчете учитывают физико-механические характеристики грунта, соответствующие фазе возможного наибольшего его насыщения водой.

В водонасыщенных грунтах, расположенных ниже уровня грунтовых вод, давление принимается как сумма гидростатического и бокового давлений, взвешенного водой грунта объемным весом, равным .