Габионные стены.

Габионные структуры относятся к классу гибких сооружений: они воспринимают возможные осадки грунта, реагируя на это незначительными прогибами. При этом разрушение самой габионной структуры не происходит и сооружение продолжает выполнять свое основное назначение. Конструкции из габионов более экономичны, чем традиционные жесткие и полужесткие конструкции: экономия средств в случае использования габионов составляет от 10-15% на 1м сооружения, они требуют меньших затрат на эксплуатацию и ремонт. В курсовой работе будем применять габионные стены (ЦПИ № 22/43).

Усиление насыпи гравитационной габионной стеной. Исходными данными являются следующие:

1. Инженерно-геологический разрез насыпи;

2. Расчетные характеристики грунтов по инженерно-геологическим элементам. Величина оползневого давления на стену Е_оп = 325,14 кН/м определенная по формуле:

(1.6)

Рис. 1.4. Инженерно-геологический разрез

Е_оп – оползневое давление, кН/м; i – номер инженерно-геологического элемента

С учетом досыпки откоса по очертанию и найденному в результате расчетов устойчивости откоса.

3. Высота стены Н = 6 м;

4. Ширину стены принимаем равной 4,0 м, исходя из условия возможности прохода по ней механизмов при сооружении;

5. Для устройства стены используются коробчатые габионы высотой 1,0 и 0,5 м и шириною 1,0 м.

Проверим устойчивость стены против сдвига и опрокидывания.

Устойчивость стены против сдвига по поверхности основания CD обеспечивается при выполнении условий k ≥ |k|.

Допустимый коэффициент запаса |k| определяется по формуле.

Площадь сечения стены ω = ВН = 4,0 ∙ 6 = 24 м².

Удельный вес габиона определим по формуле:

γ_г = γ_s (1 - n)

При γ_s = 26,0кН/м³ n = 0,30 тогда γ_г = 26(1 — 0,30) = 18,2 для щебня с = 0

Далее найдем равнодействующую сдвигающих сил Т, которая равна наибольшей из двух сил: оползневого давления Е_оп = 325,14 кН/м и максимальной величины горизонтальной составляющей активного давления E_ah которое находиться по формуле:

E_ah = E_a ∙ cos(α + φ₀)

Для этого примем удельный вес засыпки γ = 20 кН/м³ и найдем коэффициент К_а активного давления на стену по формуле:

При φ_о = φ = 38° и при крутизне откоса перед стеной 1:1,5 угол (φ - ε) = 4. В этом случае Ка=0,374.

При этих данных найдем соответственно по формуле:

Е_а = 134.64 кН/м и Е_а_h = 94.2 кН/м. Значит, расчет стены на сдвиг и опрокидывание производится по величине Е_оп.

Для проверки устойчивости стены против опрокидывания найдем момент М_уд удерживающих сил по выражению M_уд = G_o - x_o и момент М_оп опрокидывающих сил по выражению М_оп = Еу_о. При этом Х_о = В/2 = 4/2 = 2 и плечо у_о = Н/2 = 6/2 = 3.

Сводка всех расчетов при проверке устойчивости стены на сдвиг и опрокидывание приведены в таблице:

Показатели	Величины	Показатели	Величины
H	6.0	E_ah	94.2
B	4.0	T = E_оп	325,14
ω		k = R/T	1.57
N	655,2	М_уд	873,6
R	511,71	М_оп	975.42
E_a	134,64	k = М_уд/М_оп	0,90

При γ_n = 1.2, γ_s = 1.0. При этих данных .

Рис. 1.5. Схема к проверке габионной стены на сдвиг и опрокидывание:

H – высота стены, м; В – ширина стены, м; G₀ – вес габионной стены, кН; N – нормальная реакция, кН; R – равнодействующая удерживающих сил; ε – угол наклона откоса, град; Е_ah – активное давление (горизонтальная составляющая), кН/м³; Е = Е_оп – оползневое давление, кН/м

Расчетная схема к проверке устойчивости стены на сдвиг приведена на рис. 1.5. Найдем равнодействующую удерживающих сил:

R = Nf + сВ

Для этого примем, что габионная стена будет устанавливаться на щебеночную подготовку толщиной 0,10 м. Тогда f = tgφ = tg38 = 0.781 (для щебня).

Нормальная реакция основания N равна весу габионной стены:

где G_g – вес габиона, который найдем по формуле:

G_g = ω_g γ_g

Коэффициент устойчивости против опрокидывания меньше допустимого |к| = 1,20.

Устойчивость подпорной стены не обеспечивается. Увеличиваем ширину подпорной стены до 6,0 м. Повторно производим расчет.

Усиление насыпи гравитационной габионной стеной. Исходными данными являются следующие:

6. Инженерно-геологический разрез насыпи;

7. Расчетные характеристики грунтов по инженерно-геологическим элементам. Величина оползневого давления на стену Е_оп = 325,14 кН/м определенная по формуле:

(1.6)

Рис. 1.6. Инженерно-геологический разрез

Е_оп – оползневое давление, кН/м; i – номер инженерно-геологического элемента

С учетом досыпки откоса по очертанию и найденному в результате расчетов устойчивости откоса.

8. Высота стены Н = 6 м;

9. Ширину стены принимаем равной 6,0 м, исходя из условия возможности прохода по ней механизмов при сооружении;

10. Для устройства стены используются коробчатые габионы высотой 1,0 и 0,5 м и шириною 1,0 м.

Проверим устойчивость стены против сдвига и опрокидывания.

Устойчивость стены против сдвига по поверхности основания CD обеспечивается при выполнении условий k ≥ |k|.

Допустимый коэффициент запаса |k| определяется по формуле.

Площадь сечения стены ω = ВН = 6,0 ∙ 6 = 36 м².

Удельный вес габиона определим по формуле:

γ_г = γ_s (1 - n)

При γ_s = 26,0кН/м³ n = 0,30 тогда γ_г = 26(1 — 0,30) = 18,2 для щебня с = 0

E_ah = E_a ∙ cos(α + φ₀)

При φ_о = φ = 38° и при крутизне откоса перед стеной 1:1,5 угол (φ - ε) = 4. В этом случае Ка=0,374.

При этих данных найдем соответственно по формуле:

Е_а = 134.64 кН/м и Е_а_h = 94.2 кН/м. Значит, расчет стены на сдвиг и опрокидывание производится по величине Е_оп.

Сводка всех расчетов при проверке устойчивости стены на сдвиг и опрокидывание приведены в таблице:

Показатели	Величины	Показатели	Величины
H	6.0	E_ah	94.2
B	6.0	T = E_оп	325,14
ω		k = R/T	1.57
N	655,2	М_уд	1965,6
R	511,71	М_оп	975.42
E_a	134,64	k = М_уд/М_оп	2.02

При γ_n = 1.2, γ_s = 1.0. При этих данных .

R = Nf + сВ

Нормальная реакция основания N равна весу габионной стены:

где G_g – вес габиона, который найдем по формуле:

G_g = ω_g γ_g

Коэффициент устойчивости против опрокидывания больше допустимого |к| = 1,20.

Далее оценивается несущая способность основания стены.

Несущая способность основания стены проверяется по условиям:

σ_g ≤ │σ│

Определим форму эпюры нормальных напряжений. Для этого найдем расстояние d от нижнего края подошвы габионной стены до точки приложения реакции грунта основания по формуле:

Эксцентриситет е = 6,0 - 6,0/2 - 1,51 = 1,49.

Поскольку е > В/6 = 6.0/6 = 1 эпюра напряжений имеет треугольную форму и σ_max вычисляется по формуле:

Рис. 1.7. Расчетная схема к определению несущей способности грунта основания:

H – высота стены, м; В – ширина стены, м; Е_оп – оползневое давление, кН/м; d – расстояние от нижнего края подошвы до точки приложения реакции грунта основания; h – высота габиона, м; G_g – вес стены, кН; N – нормальная реакция, кН; z – глубина заделки стены в грунт, м; σ_max – максимальные напряжения на основании стены; R – равнодействующая удерживающих сил; ε – угол наклона откоса, град; Е_а – активное давление (горизонтальная составляющая), кН/м

Для определения |σ| найдем предварительно:

q_lim = c · N_c · d_c + q · N_q · d_q · i_q + B · N_γ · d_γ · i_γ · γ

Грунт основания имеет с = 25 кПа, φ = 22, γ = 18,2 кН/м. Однако стена будет опираться на слой щебня, поэтому в расчете принимаются его характеристики: с = 0, φ = 38, γ = 21,0.

Поскольку с = 0 первый член в формуле отсутствует.

Глубина заделки стены в грунт z = 3.65.

Тогда q = 18,2 ∙ 3.65 = 66,43

N_q = 48.88

N_y = 1.8(48.88-1)tan38°=67.31

d_y = 1; i_y = 0.24² = 0.6γ = 21

q_lim = 15.1 ∙ 48.88 ∙ 1.07 ∙ 0.24 – 4 ∙ 67.31 ∙ 1 ∙ 0.6 ∙ 21 = 3580.4 кПа

Следовательно, несущая способность грунта основания обеспечивается.

Далее выполняется проверка внутренней устойчивости стены.

Проверим стену на возможность сдвига отдельных слоев габионов по поверхности их контакта внутри стены.

Расчет ведем при Е_оп = 325,14 кН/м и Н = 6 м.

Внутренняя устойчивость проверяется по условиям и

Найдем для каждого i-слоя (считая сверху) значения соответственно по формулам:

Рис. 1.8. Расчетная схема к проверке внутренней устойчивости стены.

Е_оп – оползневое давление, кН/м; Н – высота стены, м; В – ширина стены, м; z – глубина заделки стены в грунт, м; h – высота i-ого слоя габионов от верха стены, м; G – вес габиона, кН; N – нормальная реакция, кН.

При В_i const = В = 6.0 м.

Допускаемые значения определяются соответственно по

Для этого определим:

Примем Р_п = 10,3 кг/м³ – масса габионной секции при пределе прочности на разрыв сетки R_р = 47,0 кН/м и высоте габиона 1,0 м.

Используя полученные исходные данные, проведем расчет в табличной форме:

№ слоя	Hi, м	Еоп-i, кН/м	τi, кПа	Ni	σi, кН/м	τдоп, кПа	σдоп, кПа
	1,0			72,8	18,2	38,88
	2,0	54,1	27,05	145,6	36,4	51,85
	3,0	95,4	31,8	218,4	54,6	64,83
	4,0	140,6	35,15	291,2	72,8	77,81
	5,0	185,6	37,12	364,0	91,0	90,78
	6,0	325,14	34,5	436,8	98,6	93,4

Как видно из таблицы, внутренняя устойчивость стены во всех её слоях обеспечивается.