Инженерный справочник

Часть I. Введение и общие положения

Инженерный справочник по шпунтовой системе — настольное руководство проектировщика по шпунтовым ограждениям из стального профильного шпунта для строительства на территории Российской Федерации по действующим СП и ГОСТ.

I.1. Назначение и область применения справочника

I.1.1. Что регулирует справочник

Инженерный справочник по шпунтовой системе — настольное руководство проектировщика по шпунтовым ограждениям из стального профильного шпунта для строительства на территории Российской Федерации по действующим СП и ГОСТ.

Справочник охватывает полный цикл работы с шпунтовым ограждением:

• инженерно-геологические основы (Часть III);
• нагрузки и давление грунта (Часть IV);
• методы расчёта — классические и численные (Часть V);
• конструктивные решения и узлы (Часть VI, Приложение В);
• технологию производства работ, включая извлечение и оборачиваемость (Часть VII);
• долговечность и антикоррозионную защиту (Часть VIII);
• геотехнический мониторинг (Часть IX);
• решённые примеры и анализ отказов (Части X, XI);
• взаимодействие с экспертизой (Часть XII);
• цифровую среду проектировщика (Часть XIII);
• полный сортамент шпунтовых профилей (Приложение А).

I.1.2. Что справочник НЕ заменяет

Справочник не заменяет: - действующие СП, ГОСТ и пособия НИИОСП — он их интерпретирует и связывает в единую методику, но первоисточником остаётся нормативный документ; - инженерные изыскания — справочник учит работать с данными инженерно-геологических изысканий (ИГИ), но не отменяет необходимость качественных изысканий; - расчётчика и проектировщика — ответственность за проектные решения несёт главный инженер проекта (ГИП) и проектная организация, а не справочник; - экспертизу проектной документации.

[!] Приоритет нормативного документа. При расхождении положений справочника с действующей редакцией СП/ГОСТ — приоритет имеет нормативный документ. Справочник актуализируется при плановой ревизии; дата актуальности нормативной базы указана на титульном листе. Маркер [В] в тексте отмечает фрагменты, подлежащие сверке с актуальной редакцией нормативов.

I.1.3. Граница ответственности

Справочник — методический инструмент. Все численные примеры помечены [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ] и приведены для демонстрации методики, не для прямого применения в проекте. Каждый объект требует индивидуального расчёта по фактическим исходным данным.

I.2. Шпунтовые ограждения в классификации подпорных сооружений

I.2.1. Место шпунтового ограждения

По СП 381.1325800 подпорные сооружения классифицируются по ряду признаков. Шпунтовое ограждение — это гибкое подпорное сооружение, в отличие от жёстких (массивные подпорные стены, контрфорсные).

«Гибкое» означает: несущая способность обеспечивается не собственным весом сооружения (как у массивной стены), а заделкой в грунт и системой опор (анкеры, распорки), при этом сама стенка деформируется, перераспределяя давление грунта.

I.2.2. Классификация по способу обеспечения устойчивости

Источник: СП 381.1325800 (классификация подпорных сооружений — п. 5.1.1, с. 10, перечень признаков; п. 5.1.7, с. 10–13 — гибкие подпорные сооружения, включая шпунтовые ограждения; п. 5.1.8, с. 10–13 — деление по способу обеспечения устойчивости: с заделкой в грунте (консольные), анкерные, с распорной конструкцией, их комбинации) [Э: сверено с СП 381.1325800.2018]; Будин А.Я., Городские и портовые набережные [В: не подтверждено]. Ориентиры глубин — справочные [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ], уточняются расчётом по конкретным грунтовым условиям.

I.2.3. Классификация по конструкции стенки

I.2.4. Классификация по сроку службы

• Временные (строительный период, 6–24 мес) — ограждения котлованов; часто арендуются и извлекаются (Часть VII).
• Постоянные (весь срок службы объекта) — набережные, причалы, постоянные подпорные стены; требуют расчёта на коррозию (Часть VIII).

Источник: ГОСТ 27751 (уровни ответственности — п. 3.1, с. 6: класс сооружения КС-1/КС-2/КС-3; расчётные сроки службы конструкций — п. 4.3 и табл. 1, с. 7–8) [Э: сверено с ГОСТ 27751—2014]; СП 381.1325800; СП 22.13330. Границы срока службы (6–24 мес) — справочные [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ].

[!] Срок службы определяет методику. Временное ограждение — расчёт на строительный период (недренированные характеристики глин, без учёта коррозии). Постоянное — расчёт на остаточное сечение в конце срока службы, дренированные характеристики, циклика. Это первое классификационное решение в проекте.

I.3. Глоссарий ключевых терминов

Источник: ГОСТ 27751 (две группы предельных состояний — ПС-1 (несущая способность) и ПС-2 (нормальная эксплуатация) — п. 5.1.1, с. 8; надёжность и классы ответственности — п. 3.1, с. 6) [Э: сверено с ГОСТ 27751—2014]; СП 22.13330; СП 381.1325800; ГОСТ 31937 (категории технического состояния зданий) [В: не подтверждено]. Теории активного/пассивного давления грунта — Цытович Н.А., Механика грунтов; Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов (см. Часть IV).

Полный глоссарий и таблица условных обозначений — раздел «Условные обозначения» во вводной части.

I.4. Обзор нормативной базы и порядок пользования справочником

I.4.1. Иерархия источников

Справочник опирается на источники в порядке приоритета:

1. Профильный СП (СП 381 — подпорные, СП 248 — подземные, СП 38 — гидротехнические).
2. Общий СП (СП 22, СП 45, СП 20, СП 16).
3. ГОСТ — характеристики материалов и грунтов.
4. Пособия к СП (НИИОСП).
5. Монографии российской школы (Будин, Цытович, Тер-Мартиросян, Мангушев и др.).
6. **ТУ ** — только характеристики шпунтовых профилей (не методика расчёта).
7. Зарубежные нормы (EN, EAU, CIRIA) — только справочно.

[!] ТУ не заменяет СП. Технические условия дают характеристики шпунтовых профилей (Приложение А), но методика расчёта опирается на государственные нормы. ТУ не может разрешить то, что запрещено СП.

Полный перечень нормативов — Приложение Д.

I.4.1-А. Дерево нормативной применимости: одно ядро + два маршрута

Принципиальное решение справочника: одно расчётно-методическое ядро и два специальных нормативных маршрута. Гидротехническое сооружение (ГТС) — гидротехнический/портовой блок — отдельный точечный маршрут, а не «довесок» к обычному котловану. Зоны действия мониторинговых норм для маршрутов не совпадают.

[В: все нормативы ниже — подтвердить по официальному фонду (Б1).]

[Э: частично сверено по первоисточникам.] Ядро Маршрута 1 подтверждено: СП 381.1325800 (классификация подпорных сооружений, п. 5.1.1/5.1.7/5.1.8), СП 22.13330 (основания зданий и сооружений), ГОСТ 27751—2014 (надёжность, классы КС-1…КС-3 — п. 3.1; предельные состояния — п. 5.1.1), ГОСТ 25100 (классификация грунтов — п. 4.1), СП 305.1325800 (геотехнический мониторинг, детализирует СП 22.13330 и ГОСТ 31937 — Введение). Не подтверждены и остаются на верификации: конкретная формулировка о нераспространении СП 305 на ГТС; ГОСТ Р 22.1.11-2024; нормы Ростехнадзора 2024 и исключение судоходных/портовых ГТС; СП 101.13330.2023, СП 23, СП 38 (для Маршрута 2); ПП РФ № 87/145/331/614 и временная шкала XML 2024→2030 [В: не подтверждено].

Маршрут 1 — ЯДРО (гражданские/промышленные котлованы, подпорные стены): центральный документ — СП 381.1325800; основания — СП 22; сталь — СП 16; производство работ — СП 45; нагрузки — СП 20; надёжность — ГОСТ 27751; грунты — ГОСТ 25100 и др.; мониторинг — СП 305.1325800.

Маршрут 2 — ГТС (гидротехнические, судоходные, причальные стены): СП 58 (основные положения ГТС), СП 23 (основания ГТС), СП 38 (нагрузки на ГТС — волновые, ледовые, от судов), СП 101.13330.2023 (подпорные стены/набережные/шлюзы); мониторинг/надзор — специальные гидротехнические правила.

[!] Критичные границы применимости. (1) СП 305.1325800 не распространяется на гидротехнические сооружения. (2) Нормы Ростехнадзора 2024 по мониторингу/безопасности ГТС утверждены за исключением судоходных и портовых ГТС. Определение маршрута (ядро / ГТС) — первое нормативное решение проекта; влияет на весь набор норм, расчётные ситуации и программу мониторинга (см. Часть IX.2-А).

Цифровой контур — общий для обоих маршрутов (см. Часть XIII): 384-ФЗ, ПП РФ № 87/145/331/614, единая цифровая платформа экспертизы (ЕЦПЭ), контроль формата, машиночитаемые XML-форматы ПЗ/ВОР/ЗП.

I.4.2. Условные обозначения справочника

I.4.3. Как пользоваться справочником

Рекомендованный порядок для нового объекта:

1. Часть III — оценить грунтовые условия, сформировать ТЗ на изыскания.
2. Часть I.2 — выбрать тип схемы (консоль / анкер / распорка) по глубине, грунтам, окружению.
3. Часть IV — построить эпюры давления грунта и воды.
4. Часть V — выполнить расчёт: V.1 (ПС) → V.2/V.3/V.4 (схема) → V.6 (метод конечных элементов, МКЭ, при необходимости) → V.7 (сечение) → V.8 (устойчивость дна) → V.9 (влияние на застройку).
5. Часть VI + Приложение В — конструктивные узлы.
6. Часть VII — технология погружения и извлечения.
7. Часть VIII — долговечность (для постоянных сооружений).
8. Часть IX — программа мониторинга.
9. Часть XII — подготовка к экспертизе.
10. Приложение А — подбор конкретного шпунтового профиля.

Каждая глава самодостаточна и содержит перекрёстные ссылки на связанные разделы.

I.5. Рабочий процесс проектировщика: от изысканий до сдачи объекта

I.5.1. Этапы

I.5.2. Итеративность процесса

Процесс не линейный: расчёт ПС-2 (влияние на застройку, этап 4) часто ужесточает схему, выбранную на этапе 2. Технологические ограничения (этап 6 — например, невозможность анкеров из-за коммуникаций) меняют расчётную схему. Окончательное решение — результат нескольких итераций.

[!] Влияние на застройку определяет схему, а не наоборот. Типовая ошибка — выбрать схему «по прочности» и потом столкнуться с превышением деформаций соседних зданий. Для городских объектов оценку влияния на застройку (V.9) следует выполнять на ранней стадии, параллельно с выбором схемы.

I.5.3. Роль проектировщик а в процессе

На любом этапе проектировщик может получить бесплатную инженерную консультацию проектировщик а : выбор схемы, предварительный расчёт, подбор профиля, сравнительный анализ. Подробнее — раздел «О проектном отделе ».

I.6. Структура справочника

Справочник построен по образцу лучших мировых отраслевых руководств по шпунтовому делу (включая инженерные рекомендации EAU 2020 (DGGT) и CIRIA C760), полностью переработанных под нормативную базу и практику РФ.

Справочник охватывает все части I–XIII и приложения (А, В, Д). Расчётно-методическое ядро — Части III, IV, V, IX — приведено в развёрнутом виде; Части X и XI — каркасы, наполняемые реальными кейсами по мере накопления и верификации материала. Это плановое развитие справочника, а не его незавершённость: ядро — самодостаточный рабочий инструмент.

I.7. Литература к части

1. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
2. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
3. СП 45.13330. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
4. ГОСТ 27751. Надёжность строительных конструкций и оснований.
5. ГОСТ Р 58034. Сваи шпунтовые. Технические условия.
6. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника.

Зарубежные (справочно): 7. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно). 8. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 9. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design.

Нормы: СП 381.1325800, СП 248.13330, ГОСТ 27751, СП 22.13330, ГОСТ 31937, ГОСТ 25100, СП 305.1325800, ГОСТ Р 22.1

Шпунтовые профили: U, Z и трубошпунт

Типы шпунтовых профилей, их особенности работы и область применения; марки стали и замковые соединения.

Типы профилей

• U-образный (тип Ларсен) — замки расположены на нейтральной оси стенки. Универсален для котлованов и набережных малой и средней высоты; при больших глубинах эффективность сечения снижается из-за сдвига в замках, что учитывается понижающим коэффициентом момента сопротивления.
• Z-образный — замки вынесены на крайние кромки, всё сечение полноценно работает на изгиб. Обеспечивает больший момент сопротивления при той же массе; предпочтителен для глубоких подпорных стен и гидротехнических сооружений.
• Трубчатый шпунт (трубошпунт) — несущие трубы со шпунтовыми замками, комбинируемые с промежуточными U/Z-профилями. Применяется при больших глубинах, на причальных стенках, мостовых опорах и при высоких изгибающих и осевых нагрузках.

Замковые соединения

Замки обеспечивают совместную работу смежных шпунтин, передачу сдвиговых усилий и (при герметизации) водонепроницаемость стены. Несущая способность замка на растяжение нормируется и проверяется отдельно, особенно для Z-профилей и комбинированных стен.

Марки стали

Шпунт изготавливается из конструкционных сталей; расчётные сопротивления назначаются по марке стали согласно действующим нормам (СП 16.13330) и техническим условиям производителя. Повышение марки стали — способ увеличить несущую способность сечения без изменения геометрии профиля.

Сортамент

Конкретные профили с геометрией, моментами сопротивления и инерции, массой и областью применения вынесены в цифровую библиотеку платформы. Подбор профиля выполняется по требуемому моменту сопротивления из расчёта с запасом по прочности и по заделке.

Нормы: ГОСТ Р 59561, СП 16.13330

Часть III. Инженерно-геологические основы проектирования

Шпунтовое ограждение — сооружение, работающее в грунте и с грунтом. Качество расчёта (главы V) определяется не столько выбором метода, сколько достоверностью исходных данных о грунтах. Распространённое заблуждение: «программа метода конечны…

III.0. Введение

Шпунтовое ограждение — сооружение, работающее в грунте и с грунтом. Качество расчёта (главы V) определяется не столько выбором метода, сколько достоверностью исходных данных о грунтах. Распространённое заблуждение: «программа метода конечных элементов (МКЭ) даст точный ответ». МКЭ даёт точный ответ на введённые данные — если данные о грунтах условные, точность результата мнимая.

Эта часть устанавливает: какие инженерно-геологические данные требуются для проектирования шпунтового ограждения, как их интерпретировать, как назначать расчётные характеристики, какие особые грунтовые условия требуют специальных решений и как учитывать региональную специфику грунтов РФ.

III.1. Состав исходных данных. Требования к ИГИ

III.1.1. Нормативная база

• СП 47.13330 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» — основной документ (область применения — п. 1, с. 5; цель инженерно-геологических изысканий — п. 6.1.1, с. 30).
• СП 446.1325800 «Инженерно-геологические изыскания для строительства».
• ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация».
• СП 22.13330 — требования к характеристикам грунтов для расчёта оснований.

III.1.2. Состав изысканий для шпунтового ограждения

Шпунтовое ограждение предъявляет к инженерно-геологическим изысканиям (ИГИ) повышенные требования по сравнению с обычным фундаментом, так как: - грунт работает и в активной (за стенкой), и в пассивной (зона заделки) зонах; - решающее значение имеют характеристики до глубины заделки + запас (обычно 1,5–2,0·H ниже дна котлована); - критичны гидрогеологические данные (фильтрация определяет устойчивость дна — глава V.8).

Источник: СП 47.13330; СП 446.1325800 (глубина скважин для зданий на естественном основании — не менее чем на 2 м более суммы глубины фундамента и глубины сжимаемой толщи — п. 7.2.6, с. 33; расстояния между скважинами — табл. 7.3, п. 7.2.5, с. 32–33: для II категории сложности 30–40 м, для III — 20–25 м; глубина скважин для свайных фундаментов — п. 7.2.11, с. 33); состав физико-механических характеристик грунтов для расчёта оснований — СП 22.13330 п. 5.1.16, с. 25–26; ГОСТ 25100 (номенклатура определяемых характеристик). Пособие НИИОСП им. Герсеванова по инженерно-геологическим изысканиям.

[!] Глубина изысканий — частая причина переделок проекта. Изыскания «на глубину котлована» недостаточны для шпунта: расчёт заделки и общей устойчивости требует данных значительно ниже дна котлована. Скважина, не дошедшая до прочного слоя в зоне заделки, делает расчёт пассивного отпора и общей устойчивости недостоверным.

III.1.3. Что заказывать дополнительно для шпунта

• Трёхосные испытания (не только компрессия) — для корректного определения φ, c и параметров моделей грунта МКЭ (E50, Eur — глава V.6).
• Определение модуля разгрузки/перегрузки Eur — критично для расчёта котлованов (разгрузка основания при откопке).
• CPT (статическое зондирование) — непрерывный профиль по глубине, выявляет слабые прослойки, пропускаемые при бурении.
• Гидрогеологические наблюдательные скважины с режимными наблюдениями (сезонные колебания УПВ).
• Химический анализ грунтовых вод и грунта — для категории коррозионной агрессивности (глава VIII).

III.2. Классификация и характеристики грунтов

III.2.1. Классификация по ГОСТ 25100

Для проектирования шпунтового ограждения грунты разделяются на инженерно-геологические элементы (ИГЭ) по ГОСТ 25100. Ключевые для шпунта группы:

Источник: ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация» — классы грунтов (скальные, дисперсные, мерзлые + техногенные) п. 5.1–5.4, с. 8–9; разновидности (скальные/полускальные по \(R_c\) — табл. Б.1; крупнообломочные и пески по гранулометрии — табл. Б.6–Б.7; глинистые по \(I_p\) — супесь/суглинок/глина, табл. Б.13; по \(I_L\) — табл. Б.16; набухающие — табл. Б.17; просадочные — табл. Б.18; заторфованные — табл. Б.19) прил. Б, с. 17–25 [Э: сверено с ГОСТ 25100—2020]; Цытович Н.А., Механика грунтов; Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов (поведение групп грунтов).

III.2.2. Расчётные характеристики

Различают (по СП 22, СП 47): - нормативные характеристики \(X_n\) — средние значения (математические ожидания) по результатам испытаний (СП 22.13330, п. 5.3.15, с. 31); - расчётные характеристики \(X_d = X_n / \gamma_g\) — формула \(X = X_n/\gamma_g\) (СП 22.13330, форм. 5.1, п. 5.3.16, с. 31 [Э: сверено с СП 22.13330.2016]); - расчётные значения с учётом группы предельных состояний различаются доверительной вероятностью α: для ПС-1 α = 0,95, для ПС-2 α = 0,85 (СП 22.13330, п. 5.3.17, с. 31–32); для прочих характеристик (помимо φ, c, c_u, ρ, R_c) допускается принимать γg = 1 (п. 5.3.16, с. 31).

Источник: ГОСТ 20522 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний» (вычисление \(X_n\) и \(X_d\), коэффициент \(\gamma_g\)) [В: не подтверждено — ГОСТ 20522 сверить по первоисточнику]; СП 22.13330 (нормативные и расчётные значения характеристик грунтов — п. 5.3.15–5.3.16, с. 31; методика статобработки — по ГОСТ 20522); Цытович Н.А., Механика грунтов; Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов.

Коэффициент надёжности по грунту \(\gamma_g\) зависит от характеристики и числа определений (см. главу V.1):

Источник: ГОСТ 20522 (полная статистическая методика — функция числа определений и доверительной вероятности α 0,85 / 0,95) [В: не подтверждено — ГОСТ 20522 сверить по первоисточнику]; СП 22.13330. При определении характеристик по таблицам прил. А (для геотехнических категорий 1–2) СП 22.13330 даёт конкретные \(\gamma_g\): в расчётах по деформациям (ПС-2) — γg = 1; по несущей способности (ПС-1) — для сцепления γg = 1,5, для угла φ песчаных грунтов γg = 1,1, для φ глинистых грунтов γg = 1,15 (п. 5.3.20, прим. 1, с. 32–33 [Э: сверено с СП 22.13330.2016]). Доверительная вероятность α: ПС-1 — 0,95, ПС-2 — 0,85 (п. 5.3.17, с. 31–32).

[!] Коэффициент надёжности по сцеплению — самый большой. Сцепление c имеет наибольший разброс и определяется наименее надёжно. Расчёт устойчивости, чувствительный к c (выпор в глинах, общая устойчивость), требует особого внимания к достоверности определения c. Для ответственных объектов — трёхосные испытания, не только срез.

III.2.3. Параметры для моделей грунта МКЭ

Для расчёта в МКЭ (глава V.6) сверх φ, c, γ требуются: - \(E_{50}^{ref}\) — секущий модуль при первичном нагружении; - \(E_{oed}^{ref}\) — одометрический модуль; - \(E_{ur}^{ref}\) — модуль разгрузки/перегрузки (для котлованов критичен!); - \(m\) — параметр степенной зависимости модуля от напряжения; - для слабых глин — параметры консолидации/ползучести (\(\lambda^*\), \(\kappa^*\), \(\mu^*\)).

Источник: параметры моделей Hardening Soil / Soft Soil (Creep) — справочно зарубежные (PLAXIS Material Models Manual), привязка к практике РФ через СП 22.13330 и инженерное обоснование; Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов (деформационные характеристики, модуль разгрузки/перегрузки).

Эти параметры должны заказываться в ТЗ на изыскания для объектов, рассчитываемых в МКЭ. Использование значений «по типу грунта» из справочников вместо испытаний — основной источник недостоверности МКЭ-расчётов (глава V.6, типовая ошибка №2).

III.3. Гидрогеологические условия

III.3.1. Что определять

Источник: СП 47.13330; СП 446.1325800 (состав гидрогеологических исследований — п. 6.3.14, с. 24; для фундаментов — режимные наблюдения за УПВ, опытные кустовые откачки/наливы, карты гидроизогипс, прогноз изменения гидрогеологических условий — п. 7.2.23, с. 39); СП 22.13330 (состав гидрогеологических сведений ИГИ: режим подземных вод, амплитуда сезонных и многолетних колебаний УПВ, фильтрационные характеристики, агрессивность — п. 5.1.15, с. 25–26); агрессивность среды — по нормам антикоррозионной защиты (АКЗ) (глава VIII).

III.3.2. Сезонные колебания — критический фактор

[!] Изыскания в межень → строительство в паводок. Если ИГИ выполнены в сухой сезон (низкий УПВ), а строительство планируется на весну/осень (высокий УПВ), расчёт на «УПВ по изысканиям» опасно занижает гидростатику и фильтрационные градиенты. Расчёт ведётся на максимальный прогнозный сезонный УПВ, что требует справки гидрогеолога об амплитуде колебаний (по режимным наблюдениям или фондовым данным).

III.3.3. Напорные воды

Особо опасны напорные водоносные горизонты ниже дна котлована: даже при «сухом» котловане избыточное давление может прорвать дно снизу (гидравлический прорыв). Проверка обязательна (глава V.8). Решения: водопонижение напорного горизонта (разгрузочные скважины), заглубление шпунта в водоупор, тампонажная плита.

III.4. Особые грунтовые условия

III.4.1. Слабые водонасыщенные грунты (илы, мягкие глины, заторфованные)

Поведение: низкий пассивный отпор, большие деформации, длительная консолидация, риск выпора/наплыва дна (V.8).

Решения: - расчёт в недренированной постановке (\(c_u\)) для строительного периода; - МКЭ с моделью Soft Soil / Soft Soil Creep (глава V.6); - увеличенная заделка шпунта (перехват слабого слоя, опирание в подстилающий прочный грунт); - закрепление основания (струйная цементация), пригруз дна.

III.4.2. Плывуны

Поведение: водонасыщенный мелкий/пылеватый песок, переходящий в текучее состояние при нарушении структуры (вибропогружение, фильтрация). Высокий риск суффозии, наплыва, потери устойчивости дна.

Решения: - статическое вдавливание шпунта вместо вибропогружения (минимизация разжижения); - замкнутый контур шпунта с заглублением в водоупор; - водопонижение с контролем градиентов; - расчёт фильтрационной устойчивости — определяющий (глава V.8).

III.4.3. Насыпные и техногенные грунты

Поведение: неоднородность, непредсказуемые включения (строительный мусор, старые фундаменты, коммуникации), переменная плотность. Затрудняют погружение шпунта, дают неравномерные деформации.

Решения: детальные изыскания (CPT, шурфы), лидерное бурение при погружении, консервативные характеристики, обязательный мониторинг.

III.4.4. Многолетнемёрзлые грунты

Поведение: в мёрзлом состоянии — высокая прочность; при оттаивании (от тепловыделения, нарушения режима) — резкая потеря прочности, осадки оттаивания.

Решения: расчёт по СП 25.13330; принцип использования (сохранение мерзлоты / допущение оттаивания); специальные методы погружения (лидерное бурение, паровая оттайка); термостабилизация. Расчёт — на наименее благоприятное состояние (оттаявшее).

III.4.5. Набухающие и просадочные грунты

Набухающие: увеличение объёма при замачивании → дополнительное давление на стенку. Учёт давления набухания в активной зоне. Просадочные (лёссовые): просадка при замачивании под нагрузкой → дополнительные осадки, изменение расчётной схемы. Учёт по СП 22 (тип грунтовых условий по просадочности I/II — СП 22.13330, п. 6.1.5, рисунок 6.1, с. 71–72).

Источник (для III.4 в целом): классификация особых грунтов — ГОСТ 25100 (набухающие по \(\varepsilon_{sw}\) — табл. Б.17; просадочные по \(\varepsilon_{sl}\) — табл. Б.18; заторфованные — табл. Б.19–Б.20; мерзлые — табл. Б.25–Б.28) прил. Б, с. 17–25; просадочные грунты (тип грунтовых условий по просадочности I/II — рисунок 6.1) — СП 22.13330 п. 6.1.1, с. 70; п. 6.1.5, с. 71–72; набухающие грунты — СП 22.13330 п. 6.2.1, с. 79–80; мерзлые грунты — СП 25.13330; илы и слабые глины (недренированный расчёт \(c_u\)) — Цытович Н.А., Механика грунтов; Мангушев Р.А. и др., Механика грунтов [В: не подтверждено]; Далматов Б.И., Механика грунтов, основания и фундаменты.

III.5. Региональная специфика РФ

Российская территория геологически крайне неоднородна. Шпунтовое ограждение «по типовому решению» без учёта региональной специфики — частая причина проблем. Ниже — ключевые регионы с массовым шпунтовым строительством.

III.5.1. Санкт-Петербург и Северо-Запад

• Слабые водонасыщенные ленточные и моренные глины, плывуны, высокий УПВ (часто у поверхности).
• Большая мощность четвертичных отложений до коренных кембрийских глин.
• Определяющие проверки: фильтрационная устойчивость, выпор/наплыв дна, деформации (большая зона влияния).
• Преобладают распорные и многоанкерные схемы, статическое вдавливание шпунта (защита исторической застройки).

III.5.2. Москва и Центральная Россия

• Юрские и каменноугольные глины, водонасыщенные пески, карст (юг и юго-восток Подмосковья).
• Мощные техногенные напластования в исторической части.
• Определяющие факторы: влияние на плотную застройку, юрские глины как водоупор и как слабый слой при обводнении.
• Преобладают распорные системы (плотная застройка ограничивает анкеры).

III.5.3. Юг России (Кавказ, Черноморское побережье, Крым)

• Высокая сейсмичность (8–9 баллов), оползнеопасные склоны, глины с проявлением набухания.
• Определяющая проверка: сейсмическая устойчивость (глава V.10), общая устойчивость склона.
• Усиленные (резервированные) схемы ограждения, тщательный расчёт особого сочетания.

III.5.4. Север и Арктика

• Многолетнемёрзлые грунты, сезонное оттаивание, морозное пучение.
• Определяющий фактор: температурный режим, расчёт по СП 25.
• Специальные технологии погружения, термостабилизация, расчёт на оттаявшее состояние.

III.5.5. Поволжье, Сибирь, Дальний Восток

• Разнообразие: от просадочных лёссов (Поволжье) до скальных и сейсмичных районов (Прибайкалье, Сахалин, Камчатка).
• Прибрежные и гидротехнические объекты (порты Дальнего Востока) — ледовые нагрузки, морская коррозия (глава VIII).

III.6. Особенности грунтов городской застройки

III.6.1. Техногенные напластования

В исторических центрах — культурный слой и насыпные грунты мощностью 3–10 м с непредсказуемыми включениями (старые фундаменты, подвалы, коммуникации, бутовая кладка). Затрудняют погружение, дают неравномерные деформации. Требуют детального обследования (шурфы, георадар, архивные данные).

III.6.2. Существующие фундаменты соседних зданий

Фундаменты соседних зданий изменяют напряжённое состояние грунта (пригрузка) и попадают в зону влияния котлована. Их положение, тип, глубина заложения — обязательные исходные данные (по обследованию, ГОСТ 31937). Влияние на расчёт давления (глава IV) и деформаций (глава V.9).

III.6.3. Подземные коммуникации

Теплосети, водопровод, кабельные коллекторы в зоне работ: - ограничивают размещение анкеров (часто исключают анкерную схему → распорная); - сами попадают в зону влияния (деформации трубопроводов нормируются); - утечки из сетей меняют гидрогеологию локально (замачивание, размыв).

III.6.4. Проблема интерполяции между скважинами

[!] Между скважинами геология «достраивается» расчётчиком. Линзы слабого грунта, погребённые русла, локальные включения между скважинами не видны. Для городских объектов с ответственной застройкой шаг скважин уменьшается, добавляется CPT (непрерывный профиль), при бурении ведётся документирование фактической геологии и сверка с проектной моделью. Расхождение → пересчёт.

III.7. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Глубина изысканий недостаточна для расчёта заделки шпунта.»

Что делать: скважины на глубину (H + t) + запас 3–5 м; при слабых грунтах — до прочного слоя. Если изыскания выполнены, дополнить контрольными скважинами / CPT.

Замечание 2. «Не определены параметры для модели грунта МКЭ.»

Что делать: для объектов с МКЭ-расчётом — трёхосные испытания, определение Eur, параметры HS/Soft Soil. Заказать дополнительные лабораторные определения.

Замечание 3. «Не учтены сезонные колебания УПВ.»

Что делать: справка гидрогеолога об амплитуде сезонных колебаний; расчёт на максимальный прогнозный УПВ.

Замечание 4. «Не выявлены/не учтены особые грунтовые условия.»

Что делать: оценка наличия слабых, плывунных, набухающих, просадочных, мёрзлых грунтов; при наличии — расчёт по соответствующим СП и специальные решения (III.4).

Замечание 5. «Не приведены данные о техногенных грунтах и существующих фундаментах в зоне работ.»

Что делать: для городской застройки — обследование, шурфы, архивные данные о застройке и коммуникациях; учёт в расчётной модели.

III.8. [?] Дискуссионные вопросы

1. Достаточный шаг скважин. СП даёт общие указания; для ответственной городской застройки практика требует более частой сетки + CPT. Окончательный объём ИГИ — компромисс стоимости и достоверности, на обоснование проектировщика.

2. Назначение Eur при отсутствии испытаний разгрузки. При отсутствии прямых определений Eur применяются корреляции (Eur ≈ 3–5·E50). Выбор коэффициента влияет на прогноз деформаций (глава V.6) — дискуссионный вопрос.

3. Учёт пространственной изменчивости грунтов. Детерминированная модель ИГЭ не отражает реальную изменчивость. Вероятностные / геостатистические подходы пока вне нормативной практики РФ, применяются как дополнительное обоснование.

Если есть вопросы: - по составу ТЗ на изыскания под шпунтовое ограждение; - по интерпретации ИГИ для расчёта пассивного отпора и заделки; - по особым грунтам (плывуны, слабые глины, мерзлота) в зоне объекта; - по региональной специфике (СПб, Москва, Юг, Север);

— проектировщик консультирует бесплатно и помогает сформировать ТЗ на изыскания под конкретный объект.

III.10. Литература к части

1. СП 47.13330. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.
2. СП 446.1325800. Инженерно-геологические изыскания для строительства.
3. ГОСТ 25100. Грунты. Классификация.
4. ГОСТ 20522. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.
5. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
6. СП 25.13330. Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах.
7. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа.
8. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ.
9. Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ.
10. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. — Л.: Стройиздат.
11. Пособие по инженерно-геологическим изысканиям (НИИОСП).

Зарубежные (справочно): 12. EN 1997-2. Eurocode 7: Geotechnical design — Part 2: Ground investigation and testing. 13. ICE Manual of Geotechnical Engineering. — London: ICE Publishing.

Нормы: СП 47.13330, СП 446.1325800, ГОСТ 25100, СП 22.13330, ГОСТ 20522, СП 25.13330, ГОСТ 31937

Часть IV. Нагрузки, воздействия, давление грунта

Давление грунта на шпунтовую стенку — основная нагрузка шпунтового ограждения и одновременно самая сложная для определения. В отличие от обычной конструкции, где нагрузка задана, здесь нагрузка зависит от деформации самой конструкции (актив…

IV.0. Введение

Давление грунта на шпунтовую стенку — основная нагрузка шпунтового ограждения и одновременно самая сложная для определения. В отличие от обычной конструкции, где нагрузка задана, здесь нагрузка зависит от деформации самой конструкции (активное давление развивается при смещении стенки от грунта, пассивный отпор — при смещении в грунт), от истории нагружения, от стадии откопки, от уровня воды.

Эта часть устанавливает: какие нагрузки действуют на шпунтовое ограждение, как определяется боковое давление грунта (активное, пассивное, покоя), как учитывается вода, как строятся эпюры давления для разных схем и стадий, как формируются расчётные сочетания. Это теоретический фундамент расчётных методов Части V.

IV.1. Нагрузки на ограждение

IV.1.1. Нормативная база

• СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» — классификация (постоянные/длительные/кратковременные/особые — п. 5.3–5.6, с. 7–8), термины и коэффициент надёжности по нагрузке (п. 3.2, с. 5–6), сочетания нагрузок (п. 6.1–6.3, с. 8).
• СП 381.1325800 — нагрузки на подпорные сооружения.
• СП 22.13330 — давление грунта, пригрузки.
• СП 38.13330 — нагрузки на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые, от судов).

IV.1.2. Классификация нагрузок на шпунтовое ограждение

IV.1.3. Пригрузки на бровке

Равномерно распределённая пригрузка \(q\) (склад, грунт обратной засыпки) добавляется к активному давлению как \(q \cdot K_a\) по всей высоте.

Полосовая пригрузка (техника, проезд в ограниченной зоне у бровки) — даёт неравномерную эпюру дополнительного давления; рассчитывается методами теории упругости (решение Буссинеска для полосовой нагрузки) либо в методе конечных элементов (МКЭ).

Сосредоточенная пригрузка (опора крана, штабель) — локальное дополнительное давление.

Пригрузка от существующего здания — передаётся через грунт; рассчитывается с учётом глубины заложения фундамента и расстояния до стенки; для ответственных случаев — в МКЭ.

[!] Нормирование пригрузок в ППР. Расчёт ведётся на проектную пригрузку. Если на стройке у бровки складируют грунт/материалы или ставят технику тяжелее проектной — фактическая нагрузка превышает расчётную. Поэтому проектная пригрузка и зона её действия — обязательная позиция ППР и предмет строительного контроля. Типовая причина деформаций сверх прогноза — складирование вынутого грунта вплотную к бровке.

IV.2. Теория бокового давления грунта

IV.2.1. Три состояния грунта

Источник: СП 22.13330.2016, давление грунта в покое — п. 9.20, с. 165–166 (формула 9.2 \(K_0=\nu/(1-\nu)\); для переуплотнённых — формула 9.3 через OCR); предельные активное/пассивное давление как функция перемещений — п. 9.21, с. 166 (порог \(u_a\approx0{,}001h\), \(u_p\approx(0{,}01{-}0{,}02)h\)); Цытович Н.А., Механика грунтов (теория Ренкина, состояния покоя/активное/пассивное); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов. Формула \(K_0 \approx 1 - \sin\varphi\) — Jaky, в изложении российской школы [В: значение для конкретного грунта определять полевыми методами при ИГИ — СП 22.13330, п. 9.20].

Для активного состояния нужна малая деформация (≈ 0,001·H), для полной мобилизации пассивного отпора — большая (≈ 0,01–0,05·H). Это различие критично: активное давление развивается почти всегда, а полный пассивный отпор может не реализоваться при ограниченных деформациях (учитывается коэффициентом мобилизации или нелинейной моделью в МКЭ — глава V.6). [Э: сверено с СП 22.13330.2016, п. 9.21–9.23, с. 166–168 — активное давление допускается принимать при перемещении \(>0{,}001h\) (п. 9.22), пассивное — при перемещении на грунт \(>0{,}01h\) для влажных и \(>0{,}02h\) для водонасыщенных грунтов (п. 9.23).]

IV.2.2. Метод Ренкина

Для вертикальной задней грани стенки и горизонтальной поверхности грунта:

Источник: Цытович Н.А., Механика грунтов (теория Ренкина); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов; СП 22.13330.2016 — активное давление с пригрузкой \(q\), формула (9.5) \(\sigma'_{h,a}=K_a(\gamma z+q)-2c\sqrt{K_a}\), \(K_a=\tan^2(45°-\varphi/2)\) — формула (9.8), п. 9.22, с. 166–167; пассивное — формула (9.9) \(\sigma'_{h,p}=K_p(\gamma z+q)+2c\sqrt{K_p}\), \(K_p=\tan^2(45°+\varphi/2)\) — формула (9.12), п. 9.23, с. 167–168; \(\gamma\) — во взвешенном состоянии для водонасыщенных грунтов (п. 9.22). Пригрузка \(q\) как постоянная/временная нагрузка — по СП 20.13330, п. 5.3–5.5.

Простой, применяется для предварительных расчётов и типовых случаев. Не учитывает трение грунт–стенка (в запас).

IV.2.3. Метод Кулона

Учитывает наклон задней грани стенки \(\alpha\), наклон поверхности грунта \(\beta\), угол трения грунт–стенка \(\delta\). Коэффициенты \(K_a\), \(K_p\) — по формулам Кулона (громоздкие, табулируются или считаются программно). Точнее Ренкина, применяется для наклонных граней, откосов, учёта трения.

Источник: Цытович Н.А., Механика грунтов (теория Кулона, давление на наклонную грань); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов; Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки. Табулированные \(K_a\), \(K_p\) Кулона — справочно EAU 2020 (зарубежно, где нет российской таблицы).

[!] Границы применимости. Метод Кулона для пассивного отпора при больших углах трения \(\delta\) переоценивает \(K_p\) (плоская поверхность скольжения не соответствует реальной криволинейной). Это прямо отражено в нормах: по СП 22.13330.2016, п. 9.23, с. 167–168, формула (9.11) для \(K_p\) завышает пассивное давление при высоких \(\varphi\), и при \(\varphi > 20°\) во всех случаях следует принимать \(\delta = 0\). Для ответственных расчётов пассивного отпора применяют методы с криволинейной поверхностью скольжения (Соколовский, Кадзи) или МКЭ.

IV.2.4. Методика СП 381

Нормативная методика РФ для подпорных сооружений. Базируется на теории предельного равновесия с коэффициентами по СП. Приоритетна для расчётов в РФ. По СП 381.1325800.2018, п. 6.2.7, с. 27–28: при перемещениях менее \(0{,}0005h\) принимается давление покоя, в прочих случаях — активное и пассивное давление и их промежуточные значения; коэффициенты надёжности по нагрузке \(\gamma_f\) — табл. 6.2, с. 27–28. Сами значения активного и пассивного давления грунта при этом определяются по СП 22.13330 (СП 381, п. 6.2.11, с. 29; п. 6.2.16, с. 30). Метод Кулона/Ренкина — для понимания физики и предварительных оценок; финальный расчёт — по методике СП 381 во взаимоувязке с СП 22.13330. [В: детальная методика и коэффициенты — сверять по СП 381 актуальной редакции на дату проектирования.]

IV.2.5. Послойное построение эпюры

Для слоистого разреза эпюра строится послойно: на границе слоёв давление меняется скачком (разные \(K_a\), \(c\), \(\gamma\)). Вертикальное напряжение \(\sigma_v\) накапливается непрерывно сверху вниз, горизонтальное \(p_a = \sigma_v K_a - 2c\sqrt{K_a}\) пересчитывается с характеристиками текущего слоя.

IV.2.6. Учёт сцепления и трещины отрыва

В связных грунтах (\(c > 0\)) активное давление в верхней зоне получается отрицательным до глубины трещины:

Источник: Цытович Н.А., Механика грунтов (глубина трещины отрыва в связном грунте); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов; Далматов Б.И., Механика грунтов, основания и фундаменты.

На глубине \(z < z_c\) грунт теоретически «растягивается», реально — отходит от стенки, образуя вертикальную трещину. В практике на этом участке принимают \(p_a = 0\) (без учёта пригрузки) или \(p_a = qK_a\). Трещина может заполниться водой → дополнительное гидростатическое давление (учитывать для связных грунтов с открытой поверхностью).

[!] Отрицательное давление не «разгружает» стенку. Распространённая ошибка — включение отрицательного (растягивающего) участка эпюры, что искусственно уменьшает суммарное активное давление. Корректно: на глубине трещины давление обнуляется (в запас).

IV.3. Гидростатическое и фильтрационное давление воды

IV.3.1. Гидростатическое давление

При УПВ выше дна котлована на стенку действует давление воды дополнительно к давлению грунта. Ниже УПВ удельный вес грунта берётся с учётом взвешивания:

Источник: СП 22.13330.2016 — удельный вес грунта во взвешенном состоянии для водонасыщенных грунтов применяется в формуле активного давления (9.5), п. 9.22, с. 166–167; обозначение \(\gamma_{sb}\) «удельный вес с учётом взвешивающего действия воды» — Приложение М, с. 224–228; ГОСТ 25100, Грунты. Классификация; Цытович Н.А., Механика грунтов — удельный вес взвешенного в воде грунта (формула 1.8), стр. 111–112; Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов.

а гидростатическое давление воды \(p_w = \gamma_w \cdot z_w\) добавляется отдельной эпюрой (треугольной от УПВ вниз).

[!] Раздельный учёт грунта и воды. Грубая ошибка — применять полный (не взвешенный) удельный вес ниже УПВ и при этом не учитывать давление воды отдельно, либо наоборот. Корректно: ниже УПВ — взвешенный вес грунта в формуле \(K_a\) ПЛЮС отдельная эпюра гидростатики воды (вода давит «полным» гидростатическим давлением, грунт — взвешенным весом через \(K_a\)).

IV.3.2. Перепад УПВ и фильтрация

При откопке (особенно с водопонижением) УПВ снаружи выше, чем в котловане. Возникает фильтрация: вода движется вниз вдоль тыльной стороны стенки, под низом, вверх в дне котлована.

Следствия: - фильтрационное давление на стенку (изменяет эпюру); - снижение эффективного давления грунта в дне котлована (восходящий поток) → снижение пассивного отпора; - риск фильтрационного разрушения дна (глава V.8 — определяющая проверка для обводнённых песков).

Корректный учёт — построением гидродинамической сетки или фильтрационным расчётом в МКЭ (PLAXIS Groundwater flow). Упрощённый учёт (линейное распределение потери напора по контуру фильтрации) — только для предварительных оценок.

Источник: СП 22.13330.2016 — учёт фильтрационных сил при строительном водопонижении, формула (9.13) \(\sigma'_h=K(\gamma'z+q\pm\gamma_w I)\) («+» — нисходящая, «−» — восходящая фильтрация), п. 9.25, с. 168–170; прогноз гидрогеологического режима и барражный эффект — п. 9.27, с. 169.

IV.3.3. Взвешивающее действие и противодавление

Взвешивающее (архимедово) действие воды снижает эффективный вес грунта. Противодавление снизу на дно котлована (при напорных водах) — отдельный фактор устойчивости дна (глава V.8).

IV.4. Эпюры давления для разных схем и стадий

IV.4.1. Зависимость эпюры от схемы

Форма расчётной эпюры различается для схем:

[!] Для распорных систем — эпюра по огибающей, а не треугольная. Реальное давление на многоярусную распорную стенку перераспределяется (верхние ярусы догружаются). Расчёт распорок по «треугольной» классической эпюре недооценивает усилия в верхних ярусах. Применяется огибающая эпюра (прямоугольная/трапециевидная по Терцаги–Пеку или по СП). См. главу V.3.

IV.4.2. Зависимость от стадии откопки

Каждая стадия откопки имеет свою эпюру: - меняется глубина дна (нижняя граница активной зоны); - меняется зона пассивного отпора; - появляются/исчезают опоры (анкеры, распорки); - перераспределяется давление.

Критическая стадия (максимум момента/усилия) часто не финальная (см. главы V.1, V.3). Расчёт ведётся по всем характерным стадиям. В МКЭ — через Staged Construction (V.6).

IV.4.3. Эпюра при наклонной поверхности и пригрузке

• Откос грунта за стенкой (β ≠ 0) — увеличивает \(K_a\) (метод Кулона).
• Полосовая пригрузка у бровки — добавляет локальную «линзу» давления (Буссинеск).
• Существующее здание — пригрузка на глубине заложения фундамента, распределённая через грунт.

IV.5. Сочетания нагрузок и расчётные ситуации

IV.5.1. Связь с главой V.1

Расчётные ситуации (постоянная / временная / особая), типы сочетаний (основное / особое), коэффициенты надёжности по нагрузке γf — изложены в главе V.1 (расчёт по предельным состояниям). Здесь — специфика применительно к давлению грунта и воды.

IV.5.2. Основное сочетание для шпунтового ограждения

Источник: СП 20.13330.2016 — классификация нагрузок (постоянные/длительные/кратковременные/особые), п. 5.3–5.6, с. 7–8; основное и особое сочетания, формулы (6.1) \(C_m=P_d+(\sum\psi_l P_l)+(\sum\psi_t P_t)\) и (6.2) \(C_s=C_m+P_s\), п. 6.1–6.2, с. 8; коэффициенты сочетаний длительных нагрузок \(\psi_{l1}=1{,}0\), \(\psi_{l2}=\psi_{l3}=0{,}95\) — формула (6.3), п. 6.3, с. 8; СП 22.13330; СП 381.1325800 — коэффициенты надёжности по нагрузке для подпорных сооружений, табл. 6.2, с. 27–28.

Коэффициенты сочетания ψ — по СП 20. Для предельных состояний первой группы (ПС-1) — с γf > 1; для предельных состояний второй группы (ПС-2) — нормативные значения (γf = 1).

IV.5.3. Особое сочетание

К основному добавляется одна особая нагрузка (сейсмика — V.10; ледовая/навал судна — гидротехника, СП 38) с понижением ψ прочих кратковременных. Сейсмическое давление грунта рассчитывается методом Мононобе–Окабе (динамическая надбавка к активному давлению) — глава V.10.

IV.5.4. Неблагоприятное сочетание факторов

Расчётное сочетание формируется по принципу наиболее неблагоприятного реалистичного сценария: - максимальный сезонный УПВ + полная проектная пригрузка + критическая стадия откопки; - для ПС-2 (деформации) — реалистичный сценарий с нормативными значениями и фактической последовательностью работ.

[!] «Бумажный» благоприятный сценарий. Соблазн считать на «УПВ по изысканиям» (низкий, межень) и «без пригрузки» (стройка ещё не началась) даёт формально проходящий, но небезопасный расчёт. Расчётное сочетание — это неблагоприятный, но реалистичный сценарий за весь период службы ограждения.

IV.6. Численный пример: построение эпюры [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Исходные данные

Котлован H = 7,0 м. Двухслойный разрез: - слой 1 (0–4 м): суглинок, \(\gamma = 18\) кН/м³, \(\varphi = 18°\), \(c = 15\) кПа; - слой 2 (4–15 м): песок, \(\gamma_{sat} = 20\) кН/м³, \(\varphi = 32°\), \(c = 0\). - УПВ на отметке −4,0 м (граница слоёв). - Пригрузка \(q = 20\) кПа (равномерная). - \(\gamma_w = 10\) кН/м³.

Активное давление за стенкой

Слой 1 (\(K_{a1} = \tan^2(45°-9°) = \tan^2 36° = 0{,}528\)): - глубина трещины: \(z_c = \dfrac{2 \cdot 15}{18\sqrt{0{,}528}} = \dfrac{30}{13{,}1} \approx 2{,}3\) м → на \(z < 2{,}3\) м принимаем \(p_a = q K_a = 20 \cdot 0{,}528 = 10{,}6\) кПа (только от пригрузки); - на \(z = 4\) м (низ слоя 1): \(p_{a1} = (18 \cdot 4 + 20)\cdot 0{,}528 - 2\cdot15\sqrt{0{,}528} = 92\cdot0{,}528 - 21{,}8 \approx 26{,}8\) кПа.

Слой 2 ниже УПВ (\(K_{a2} = \tan^2(45°-16°) = \tan^2 29° = 0{,}307\), \(\gamma'_2 = 20-10 = 10\) кН/м³): - на \(z = 4\) м (верх слоя 2): \(\sigma_v = 18\cdot4 + 20 = 92\) кПа → \(p_{a2} = 92 \cdot 0{,}307 = 28{,}2\) кПа (скачок на границе слоёв: с 26,8 до 28,2 кПа); - на \(z = 7\) м (дно котлована): \(\sigma_v = 92 + 10\cdot3 = 122\) кПа → \(p_{a2} = 122 \cdot 0{,}307 = 37{,}5\) кПа.

Гидростатика воды (от УПВ −4 м вниз): - на \(z = 7\) м: \(p_w = 10 \cdot 3 = 30\) кПа (отдельная эпюра, добавляется к активному давлению грунта).

Суммарная эпюра на уровне дна котлована (z = 7 м)

Источник (весь пример): СП 22.13330.2016 — активное давление \(\sigma'_{h,a}=K_a(\gamma z+q)-2c\sqrt{K_a}\), \(K_a=\tan^2(45°-\varphi/2)\), взвешенный вес для водонасыщенных грунтов (формулы 9.5, 9.8), п. 9.22, с. 166–167; пассивный отпор \(K_p=\tan^2(45°+\varphi/2)\) — формула (9.12), п. 9.23, с. 167–168; Цытович Н.А., Механика грунтов (послойное построение эпюры, теория Ренкина, формула 4.20 с пригрузкой, стр. 152–155; взвешивающее действие воды, стр. 111–112); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов; пригрузка как нагрузка — СП 20.13330, п. 5.3–5.5, с. 7–8. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ] — параметры приняты для иллюстрации, не нормативные.

Пассивный отпор перед стенкой (от дна, в слое 2, ниже УПВ)

\(K_{p2} = 1/0{,}307 = 3{,}26\), \(\gamma'_2 = 10\) кН/м³: - на \(z' = 2\) м от дна: \(p_p = 10 \cdot 2 \cdot 3{,}26 = 65\) кПа (плюс гидростатика воды перед стенкой, если есть).

Вывод

Эпюра построена послойно, с обнулением активного давления в зоне трещины (слой 1, до 2,3 м), скачком на границе слоёв, отдельным учётом гидростатики ниже УПВ. Эта эпюра — вход для расчётов глав V.2–V.4 (определение заделки, момента, усилий в опорах).

IV.7. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Активное давление учтено с отрицательным участком.»

Что делать: в зоне трещины (z < z_c) активное давление обнуляется (или = qK_a). Пересчёт эпюры.

Замечание 2. «Не разделён учёт взвешенного веса грунта и гидростатики воды.»

Что делать: ниже УПВ — взвешенный вес грунта в Ka ПЛЮС отдельная эпюра гидростатического давления воды.

Замечание 3. «Для распорной системы применена треугольная эпюра вместо огибающей.»

Что делать: для многоярусных распорных систем — эпюра по огибающей (Терцаги–Пек / СП), учитывающая перераспределение давления.

Замечание 4. «Не учтены сезонные колебания УПВ / расчёт на низкий УПВ.»

Что делать: расчёт на максимальный прогнозный сезонный УПВ (справка гидрогеолога).

Замечание 5. «Пригрузка от строительной техники / складирования не нормирована.»

Что делать: проектная пригрузка и зона её действия — в составе ППР и пояснительной записки; учтена в эпюре полосовой/распределённой нагрузкой.

Замечание 6. «Не учтено фильтрационное давление при перепаде УПВ.»

Что делать: при водопонижении / перепаде УПВ — учёт фильтрационного давления (гидродинамическая сетка или МКЭ), связь с проверкой устойчивости дна (V.8).

IV.8. [?] Дискуссионные вопросы

1. Метод Кулона vs методика СП 381 для пассивного отпора. Кулон переоценивает Kp при большом δ. СП 381 — нормативно приоритетен. Для ответственных расчётов отпора — методы с криволинейной поверхностью или МКЭ.

2. Коэффициент мобилизации пассивного отпора. Полный отпор требует больших деформаций. Принимать полный Kp или редуцированный (по ожидаемой деформации) — на обоснование проектировщика; в МКЭ учитывается автоматически нелинейной моделью.

3. Эпюра перераспределения для анкерных схем. Применять классическую треугольную (в запас по моменту, но не по анкеру) или огибающую Терцаги–Пека — зависит от ответственности и согласуется с экспертизой.

4. Учёт трения грунт–стенка δ. Повышает Kp, снижает Ka (выгодно), но требует обоснования значения δ (зависит от шероховатости шпунта, наличия покрытия). Консервативный подход — δ = 0 (Ренкин).

Если есть вопросы: - по построению эпюры для сложного слоистого разреза с переменным УПВ; - по выбору метода (Ренкин / Кулон / СП 381 / МКЭ) для конкретного объекта; - по учёту пригрузки от существующего здания; - по огибающим эпюрам для многоярусных распорных систем;

— проектировщик консультирует бесплатно.

IV.10. Литература к части

1. СП 20.13330. Нагрузки и воздействия.
2. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
3. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
4. СП 38.13330. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения.
5. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа.
6. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ.
7. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат.
8. Сорочан Е.А. Подпорные стены для промышленного и гражданского строительства.
9. Пособие по проектированию подпорных сооружений (к СП 381). — М.: НИИОСП.

Зарубежные (справочно): 10. Terzaghi K., Peck R.B., Mesri G. Soil Mechanics in Engineering Practice. — Wiley. 11. EN 1997-1. Eurocode 7: Geotechnical design — Part 1. 12. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 13. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 20.13330, СП 381.1325800, СП 22.13330, СП 38.13330, ГОСТ 25100

Часть V. Методы расчёта шпунтовых ограждений

Шпунтовое ограждение — это гибкое подпорное сооружение, работающее в сложном напряжённо-деформированном состоянии: за стенкой действует давление грунта, перед стенкой — пассивный отпор; усилие удерживания может передаваться через анкер, рас…

V.1. Расчёт по предельным состояниям

V.1.1. Задача

Шпунтовое ограждение — это гибкое подпорное сооружение, работающее в сложном напряжённо-деформированном состоянии: за стенкой действует давление грунта, перед стенкой — пассивный отпор; усилие удерживания может передаваться через анкер, распорку или защемление в грунте. Геометрия сооружения меняется во времени (стадии откопки), часть нагрузок — временные, часть — постоянные. Окружающая застройка реагирует на работы прогнозируемыми (и подлежащими ограничению) деформациями.

В этой сложной задаче нужен единый методический каркас для проверки безопасности и эксплуатационной пригодности. В нормативной практике РФ таким каркасом служит метод расчёта по предельным состояниям (ПС) — общий для всех конструкций по СП 20.13330 и развёрнутый для подпорных сооружений в СП 381.1325800, СП 45.13330, СП 22.13330.

Глава излагает применение метода ПС к шпунтовым ограждениям: какие предельные состояния проверяются, какие коэффициенты надёжности применяются, как формируются расчётные сочетания нагрузок, как разграничивается ответственность между ПС-1 и ПС-2.

V.1.2. Нормативная база

Профильные: - СП 381.1325800 «Сооружения подпорные. Правила проектирования» — общие положения расчёта по ПС применительно к подпорным сооружениям, включая шпунтовые ограждения (расчёт по двум группам ПС — п. 6.1.5, с. 14; состав проверок ПС-1 — п. 6.1.12, с. 16; группы частных коэффициентов надёжности γn, γf, γm, γg, γc — п. 6.1.20, с. 25; выбор проектных ситуаций — п. 7.3.10, с. 49). - СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений» — расчёт деформаций (ПС-2), категории технического состояния зданий, зона влияния, предельно допустимые осадки и крены. - СП 45.13330 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — расчёт ограждений котлованов. - СП 248.1325800 «Сооружения подземные» — для котлованов глубиной более 5 м и подземных сооружений.

Общие: - СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» — классификация нагрузок, сочетания, коэффициенты надёжности по нагрузке γf. - СП 16.13330 «Стальные конструкции» — проверка стального сечения шпунта по прочности и устойчивости (ПС-1). - ГОСТ 27751-2014 «Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения» — методическая основа метода ПС.

Сопутствующие: - СП 14.13330 «Строительство в сейсмических районах» — для объектов в зонах сейсмичности 7-9 баллов. - СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах» — для объектов Севера. - СП 38.13330 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения» — для шпунтовых сооружений на воде.

V.1.3. Две группы предельных состояний

Метод ПС разделяет проверки конструкции на две независимые группы, различающиеся как по физической природе предельного состояния, так и по применяемым коэффициентам надёжности.

V.1.3.1. ПС-1 — потеря несущей способности и/или непригодность к эксплуатации

Достижение ПС-1 означает отказ конструкции в одной из форм: - разрушение материала шпунтовой стенки (превышение расчётного сопротивления стали); - потеря устойчивости положения шпунтовой стенки (опрокидывание относительно нижней точки заделки); - потеря устойчивости грунтового массива (общая потеря устойчивости откоса со шпунтом, см. метод Кранца — глава V.4 и V.8); - разрушение анкерной системы (по корню, по тяге или по узлу анкеровки); - потеря фильтрационной устойчивости дна котлована (выпор, наплыв, суффозия); - потеря местной устойчивости стенки шпунта (выпучивание полки, разрушение замкового соединения).

Расчёт по ПС-1 ведётся с использованием расчётных значений нагрузок (с коэффициентами надёжности по нагрузке γf > 1) и расчётных характеристик грунтов и материалов (характеристики со «коэффициентом надёжности по грунту/материалу» γm, γg > 1).

V.1.3.2. ПС-2 — затруднения в нормальной эксплуатации

Достижение ПС-2 означает превышение допустимых деформаций: - горизонтальное смещение шпунтовой стенки выше предельно допустимого значения по СП 381 / СП 22; - осадка тыльной поверхности грунта (включая фундаменты соседних зданий) выше категориально-допустимых значений; - крены соседних зданий выше нормативных пределов; - раскрытие трещин в существующих конструкциях окружающей застройки выше нормативных значений.

Расчёт по ПС-2 ведётся с использованием нормативных значений нагрузок (с коэффициентом надёжности по нагрузке γf = 1) и нормативных характеристик грунтов и материалов (γm = γg = 1). Расчётная картина — «среднее ожидаемое» поведение конструкции, без запаса.

[!] Принципиальное различие. ПС-1 — это «защита от катастрофы»: расчётные значения завышены на запас. ПС-2 — это «прогноз реальности»: значения берутся как есть, и сравниваются с допустимым уровнем дискомфорта. Смешение этих логик — типовая ошибка начинающих расчётчиков.

V.1.4. Состав проверок

V.1.4.1. Проверки по ПС-1

V.1.4.2. Проверки по ПС-2

[!] Полнота проверок. Пропуск любой из проверок ПС-1 — это снижение фактической надёжности ниже нормативной. В практике распространённая ошибка — проектировщик внимательно считает прочность шпунта (п. 1 ПС-1) и забывает об устойчивости дна (п. 6) или фильтрационной устойчивости (п. 7), а именно эти проверки в обводнённых грунтах оказываются критическими.

V.1.5. Категории ответственности сооружений

В соответствии с ГОСТ 27751 и СП 381 шпунтовое ограждение относится к одной из трёх категорий ответственности:

Источник: ГОСТ 27751-2014 (классы сооружений КС-1/КС-2/КС-3 — п. 3.1, с. 6; значения γn — табл. 2, п. 10.1, с. 12) [Э: сверено с ГОСТ 27751-2014]; СП 381.1325800, п. 6.1.20, с. 25 (γn по ГОСТ 27751 применительно к подпорным сооружениям).

[Э: сверено с ГОСТ 27751-2014, табл. 2] В табл. 2 ГОСТ приведены минимальные значения γn: КС-3 — 1,1 (для зданий выше 250 м и большепролётных сооружений с пролётом >120 м — не менее 1,2); КС-2 — 1,0; КС-1 — 0,8. Прежняя редакция справочника указывала для КС-1 диапазон «0,95-1,0», что противоречит ГОСТ; исправлено на 0,8. γn умножается на эффекты воздействия (нагрузочные эффекты) при расчёте по ПС-1 (ГОСТ 27751, п. 10.3, с. 12).

[Э] Категория ответственности — обязательная позиция в проектной документации. В пояснительной записке указывается категория ответственности объекта с обоснованием (привязка к функции объекта, окружающей застройке, требованиям заказчика и нормативов). Без явного указания категории расчёт принципиально не закрывается экспертизой.

V.1.6. Расчётные ситуации

В соответствии с СП 381 различаются следующие расчётные ситуации для шпунтового ограждения:

V.1.6.1. Постоянная расчётная ситуация

Применима к: постоянным шпунтовым сооружениям (набережные, причалы, постоянные подпорные стенки), остающимся в эксплуатации более 5 лет.

Расчёт: все постоянные и длительные временные нагрузки, без учёта стадийности возведения. Грунты — в дренированном состоянии (для глин — учитывается консолидация).

V.1.6.2. Временная (строительная) расчётная ситуация

Применима к: временным ограждениям котлованов на период строительства; постоянным сооружениям на стадии возведения.

Расчёт: все постоянные и временные нагрузки строительного периода (склад. техника, кратковременные пригрузки). Учитывается стадийность откопки. Для глинистых грунтов — расчёт в недренированном состоянии (Undrained) с расчётными характеристиками cu (см. главу V.6).

V.1.6.3. Особая расчётная ситуация

Применима к: объектам, где возможны редкие, но интенсивные воздействия: - сейсмическое воздействие (расчётный землетрясение по СП 14); - ледовые нагрузки (для гидротехнических сооружений по СП 38); - удар судна (для причальных сооружений); - аварийные ситуации (отказ соседней конструкции, прорыв воды).

Расчёт: к основному сочетанию добавляется особая нагрузка с пониженным коэффициентом сочетания (обычно ψa = 1,0 для особой нагрузки и ψ = 0,5-0,8 для одной из временных).

[!] Расчётная ситуация определяет состав нагрузок и коэффициентов. Это первое стратегическое решение в расчёте. Шпунтовое ограждение котлована, который остаётся в проекте (например, для подземной парковки) — рассчитывается как в строительной ситуации (стадия откопки), так и в постоянной (эксплуатационная нагрузка). Шпунтовое ограждение, извлекаемое после строительства, — только в строительной ситуации.

V.1.7. Коэффициенты надёжности

V.1.7.1. Коэффициент надёжности по нагрузке γf

Применяется при расчёте по ПС-1. Учитывает возможное превышение фактической нагрузки над нормативной.

Источник: СП 20.13330.2016 (вес грунтов и конструкций γf — табл. 7.1, п. 7.2, с. 9; благоприятный эффект γf = 0,9 — п. 7.3, с. 9; снеговая и ветровая нагрузки γf = 1,4 — п. 10.12, с. 18) [Э: сверено с СП 20.13330.2016]; СП 14.13330 (сейсмическая нагрузка в особом сочетании); ГОСТ 27751.

[Э: сверено с СП 20.13330.2016, табл. 7.1 и п. 10.12] Грунт в природном залегании — γf = 1,1; грунт на строительной площадке — γf = 1,15; металлические конструкции — γf = 1,05. При проверке устойчивости положения против опрокидывания (когда уменьшение веса ухудшает условия работы) принимается γf = 0,9 (п. 7.3, с. 9). Снеговая и ветровая нагрузки — γf = 1,4 (п. 10.12, с. 18). Значения для технологической/транспортной пригрузки в СП 20 устанавливаются в задании на проектирование (п. 8.1.1, с. 9) [В: точные значения пригрузок — по заданию на проектирование, в первоисточниках единого числа нет].

V.1.7.2. Коэффициент надёжности по грунту γg

Применяется к характеристикам грунтов (φ, c, γ). Учитывает разброс реальных характеристик относительно лабораторно/полевых значений.

Источник: СП 22.13330.2016 (коэффициент надёжности по грунту γg — п. 5.3.15, с. 31; формула X = Xn/γg — п. 5.3.16, формула (5.1), с. 31); ГОСТ 20522 (статистическая обработка характеристик грунтов); Цытович Н.А., Механика грунтов; Мангушев Р.А. и др., Механика грунтов.

[В: точные значения γg не подтверждено] СП 22.13330 (п. 5.3.16, с. 31) устанавливает γg для прочностных характеристик φ, c, cu и плотности грунта ρ в зависимости от изменчивости характеристик, числа определений и доверительной вероятности α по ГОСТ 20522; единого табличного значения СП не даёт (для прочих характеристик допускается γg = 1). Приведённые в таблице диапазоны — ориентировочные практические значения, не нормативно зафиксированы в первоисточниках.

V.1.7.3. Коэффициент надёжности по материалу γm

Для стали шпунта — по СП 16.13330. Для типовых марок (S355, С355) γm = 1,025 (при статистической процедуре контроля свойств проката) либо 1,100 (без статистической процедуры контроля, при пределе текучести свыше 380 Н/мм² и для горячедеформированных труб).

Источник: СП 16.13330.2017 (коэффициент надёжности по материалу γm — табл. 3, п. 6.1, с. 16; формула Ry = Ryn/γm — табл. 2, п. 6.1, с. 16) [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; ГОСТ 27772 / ГОСТ 19281 (марки стали).

V.1.7.4. Коэффициент надёжности по назначению γn

Применяется к усилиям в конструкции (моменту, поперечной силе, продольному усилию в анкере) на финальной стадии проверки.

Источник: ГОСТ 27751-2014 (коэффициент надёжности по ответственности γn — табл. 2, п. 10.1, с. 12; γn умножается на нагрузочные эффекты при расчёте по ПС-1, по ПС-2 допускается γn = 1 — п. 10.3, с. 12) [Э: сверено с ГОСТ 27751-2014]; СП 381.1325800, п. 6.1.20, с. 25 (применение γn по ГОСТ 27751 к подпорным сооружениям).

[Э: сверено с ГОСТ 27751-2014, табл. 2] Значения исправлены по табл. 2 ГОСТ (минимальные): КС-3 — 1,1; КС-2 — 1,0; КС-1 — 0,8. Прежний диапазон КС-1 «0,95-1,0» не соответствовал ГОСТ.

V.1.7.5. Коэффициент условий работы γc

Применяется к характеристикам материала. Учитывает условия эксплуатации, специфику конструкции. Для шпунта в типовых условиях γc = 0,9-0,95. В неблагоприятных условиях (коррозионная среда, ударные нагрузки, циклика) — γc = 0,7-0,85.

Источник: СП 16.13330.2017 (коэффициент условий работы γc — п. 4.3.2 и табл. 1, с. 13; для листовых конструкций — п. 11.1.1, с. 63). Примечание: значения γc в табл. 1 СП 16 даны для конкретных типов элементов конструкций (балки, колонны и т.п., диапазон 0,87-1,05); для шпунтовых стенок γc назначается в обосновании проекта с учётом условий эксплуатации [В: конкретное значение γc для шпунта в табл. 1 СП 16 не нормировано — назначается проектировщиком].

V.1.7.6. Общая логика применения коэффициентов

Расчётное сопротивление сечения шпунтовой стенки (где \(R_{yn}\) — нормативное сопротивление стали по пределу текучести):

Источник: СП 16.13330.2017 (расчётное сопротивление по пределу текучести \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — табл. 2, п. 6.1, с. 16; γm — табл. 3, п. 6.1, с. 16; γc — п. 4.3.2, с. 13) [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; ГОСТ 27751 (γn — табл. 2, п. 10.1, с. 12; применение γn к нагрузочным эффектам — п. 10.3, с. 12). Примечание: \(R_{yn}\) — нормативное (а не расчётное \(R_y\)) сопротивление; деление на \(\gamma_m\) выполняется один раз.

Расчётная характеристика грунта (например, угол трения):

Источник: СП 22.13330.2016 (расчётные характеристики грунта \(X = X_n/\gamma_g\) — п. 5.3.16, формула (5.1), с. 31; определение γg — п. 5.3.15, с. 31); ГОСТ 20522 (статистическая обработка); Цытович Н.А., Механика грунтов. Примечание: для угла трения деление по γg применяется к \(\tan\varphi\), что эквивалентно \(X = X_n/\gamma_g\).

Условие предельного состояния по ПС-1:

где \(S_d\) — расчётное усилие от расчётных нагрузок; \(R_d\) — расчётное сопротивление.

Источник: ГОСТ 27751-2014 (общая форма условия ПС-1, две группы ПС — п. 5.1.1, с. 8); СП 381.1325800, п. 6.1.5, с. 14 (расчётные значения усилий/напряжений/деформаций не должны превышать предельных значений); СП 16.13330, СП 22.13330.

[!] Не двойное применение коэффициентов. Иногда расчётчик применяет γn дважды — к нагрузке и к усилию. Это методическая ошибка, приводящая к избыточному запасу. Коэффициент γn применяется один раз — к итоговому усилию (или, эквивалентно, к расчётному сопротивлению, что даёт тот же результат).

V.1.8. Сочетания нагрузок

В соответствии с СП 20.13330 рассматриваются три типа сочетаний:

V.1.8.1. Основное сочетание

Постоянные нагрузки + длительные временные + одна или несколько кратковременных нагрузок с коэффициентами сочетания ψ:

где: - \(G\) — постоянные нагрузки (собственный вес грунта, гидростатика); - \(Q_l\) — длительные временные (стационарная пригрузка от существующих зданий); - \(Q_i\) — кратковременные временные (техника, склад. материалы, снег); - \(\psi_i\) — коэффициенты сочетания кратковременных нагрузок: \(\psi_1 = 1{,}0\) (основная по влиянию кратковременная), \(\psi_2 = 0{,}9\) (вторая), \(\psi_3 = \psi_4 =... = 0{,}7\) (остальные). Для длительных нагрузок: \(\psi_{l1} = 1{,}0\), \(\psi_{l2} = \psi_{l3} =... = 0{,}95\).

Источник: СП 20.13330.2016 (основное и особое сочетания — п. 6.2, формулы (6.1)-(6.2), с. 8; коэффициенты сочетаний длительных нагрузок ψl — п. 6.3, формула (6.3), с. 8; кратковременных ψ — п. 6.4, формула (6.4), с. 8) [Э: сверено с СП 20.13330.2016]; ГОСТ 27751.

[Э: сверено с СП 20.13330.2016, п. 6.4] Прежняя редакция справочника указывала «обычно 0,9 для одной кратковременной, 0,8 для двух», что не соответствует СП 20: для одной (основной) кратковременной ψ = 1,0; для второй — 0,9; для остальных — 0,7. Исправлено.

V.1.8.2. Особое сочетание

К основному сочетанию добавляется одна особая нагрузка (сейсмическое воздействие, удар судна, аварийная ситуация). Коэффициенты сочетания всех кратковременных нагрузок принимаются равными 0,8 (за исключением случаев, оговорённых в нормах для сейсмических районов).

Источник: СП 20.13330.2016, п. 6.5, с. 8 (особые сочетания: ψ = 0,8 для всех кратковременных нагрузок) [Э: сверено с СП 20.13330.2016].

V.1.8.3. Сочетания при расчёте по ПС-2

Для расчёта деформаций применяются нормативные значения всех нагрузок (γf = 1) и сочетания формируются как для основного сочетания, но без коэффициентов надёжности по нагрузке.

V.1.9. Стадийность строительных нагрузок

В отличие от обычных конструкций, для шпунтового ограждения стадийность откопки — это часть нагружения, а не побочный фактор. Каждая стадия:

1. Имеет свою расчётную схему (различные глубина откопки, наличие/отсутствие анкеров, разные эпюры давления).
2. Имеет свои деформации, которые накапливаются между стадиями.
3. Имеет свою критическую проверку — обычно самая опасная стадия не финальная (когда все опоры включены), а промежуточная: откопано до уровня предстоящего анкера, но анкер ещё не установлен. На этой стадии стенка работает консольно на максимальную глубину.

Поэтому расчёт ведётся по всем характерным стадиям, с проверкой ПС-1 и ПС-2 на каждой. В классическом расчёте это делается явно, в методе конечных элементов (МКЭ) — через Staged Construction (см. главу V.6).

[!] Стадия максимальной опасности — не всегда финальная. В одноярусной анкерной схеме это обычно «откопано до отметки уровня анкера, анкер ещё не установлен». В двухъярусной — «откопано до 2-го яруса, 1-й анкер установлен, 2-й анкер не установлен». Контроль каждой стадии — обязательный.

V.1.10. Численный пример: подбор расчётных коэффициентов [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Объект

Котлован глубиной H = 7,0 м в смешанных грунтах (суглинок + песок) в центральной части города Москвы. Рядом с котлованом — жилое здание 1960-х годов в 8 м от ограждения, категория технического состояния — II.

Параметры расчёта по ПС-1 (прочность шпунта)

• Категория ответственности: КС-2 (нормальная), но рядом со зданием категории II — принимаем КС-2 с повышенным γn = 1,1.
• Расчётная ситуация: временная (строительная).
• Сочетание: основное.
• Профиль шпунта: Шпунт 618 (по ТУ ), W = 1 817 см³/м, марка стали S355GP.

Коэффициенты: - γf для собственного веса грунта: 1,1 (неблагоприятный эффект). - γf для пригрузки 20 кПа от технологии: 1,2. - γc (условия работы): 0,95. - γm для стали S355: 1,025. - γn (надёжность по назначению): 1,1.

Расчётное сопротивление сечения:

Допустимый изгибающий момент:

Источник (для группы формул \(R_d\) и \(M_{доп}\)): СП 16.13330.2017 (\(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — табл. 2, п. 6.1, с. 16; \(\gamma_m\) — табл. 3, п. 6.1, с. 16; \(\gamma_c\) — п. 4.3.2 и табл. 1, с. 13) [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; ГОСТ 27772 (марки стали и нормативное сопротивление); ГОСТ 27751-2014 (\(\gamma_n\) — табл. 2, п. 10.1, с. 12). Проверка размерности: \(R_d = 299\) МПа \(= 29{,}9\) кН/см²; \(M = 1\,817\text{ см}^3/\text{м} \cdot 29{,}9\text{ кН/см}^2 \approx 543\) кН·м/м.

Параметры расчёта по ПС-2 (деформации)

• γf = 1 для всех нагрузок (нормативные значения).
• γg = 1 для характеристик грунтов (нормативные).
• Расчётная модель: МКЭ с моделью Hardening Soil (см. главу V.6).

Предельное горизонтальное смещение верха стенки (для категории состояния здания II):

Источник: СП 381.1325800, п. 6.1.7, примечание, с. 15 (расчётные горизонтальные перемещения гибких подпорных сооружений при основном сочетании — не более 1/100 удерживаемого перепада высот и не более 10 см); СП 22.13330.2016 (предельные дополнительные деформации оснований зданий окружающей застройки по категориям технического состояния I/II/III — табл. К.1, прил. К (обязательное), с. 218; зона влияния — п. 9.33-9.36, с. 172-175).

[Э: сверено с СП 381.1325800, п. 6.1.7] Нормативная рекомендация СП 381 — горизонтальное перемещение гибкой стенки не более 0,01·H (1/100 перепада высот) и не более 10 см; при превышении в расчёте учитывают образование заколов в призме активного давления и снижение прочности грунта по плоскости сдвига. Приведённый в примере коэффициент 0,0015 (≈ в 7 раз жёстче нормативного потолка) — это практическое проектное ограничение для чувствительного соседства (здание категории состояния II), обусловленное предельными дополнительными деформациями соседнего здания по табл. К.1 СП 22 (для категории II — относительная разность осадок 0,0008-0,0015 в зависимости от типа здания, осадка 3 см). Он не нормирован в СП как доля от H и принимается проектировщиком в обоснование. [В: коэффициент 0,0015·H как доля высоты не подтверждён — нормирована только осадка/крен соседнего здания (СП 22, табл. К.1) и потолок 0,01·H (СП 381, п. 6.1.7).]

Итог разделения коэффициентов по группам ПС

Источник: ГОСТ 27751-2014 (две группы предельных состояний — п. 5.1.1, с. 8; γn по ПС-2 допускается равным 1 — п. 10.3, с. 12); СП 22.13330.2016 (расчёт по двум группам ПС — п. 5.1.5, с. 22; расчёт по деформациям на основное сочетание — п. 5.2.5, с. 27); СП 20.13330.2016 (нагрузки, сочетания — п. 6, с. 8; γf — табл. 7.1, п. 7.2, с. 9).

V.1.11. [!] Особенности применения метода ПС к шпунтовым ограждениям

1. Шпунтовое ограждение в строительный период — это временное сооружение особого типа. Несмотря на короткий срок службы (6-24 месяца), требования к ПС-1 не понижаются: при отказе временного ограждения последствия не менее тяжёлые, чем при отказе постоянного сооружения (обрушение котлована, угроза людям, ущерб соседним объектам).

2. Расчёт по двум группам ПС — независимые задачи. ПС-1 не «доказывает» ПС-2 и наоборот. Объект может удовлетворить ПС-1 (прочность с запасом), но не удовлетворить ПС-2 (превышение деформаций соседнего здания) — и наоборот. Обе проверки обязательны.

3. Категория состояния соседних зданий — определяющий фактор предельных деформаций. При категории состояния III и хуже предельно допустимые деформации устанавливаются индивидуально по результатам обследования, могут быть существенно ниже типовых.

4. Промежуточные стадии откопки часто критичнее финальной. При расчёте необходимо проверять каждую характерную стадию, а не только конечную геометрию.

5. Расчёт фильтрационной устойчивости — отдельная критическая проверка. При наличии уровня подземных вод (УПВ) выше дна котлована эта проверка часто становится определяющей — а в типовом расчёте она пропускается.

6. Двойное применение коэффициентов γn — методическая ошибка. Коэффициент γn применяется один раз: либо к усилию (S → S·γn), либо к расчётному сопротивлению (R → R/γn), но не оба сразу.

7. Для МКЭ-расчёта применение коэффициентов γf, γg, γm специфично. В дренированном расчёте характеристики φd, cd, γd берутся расчётные. В недренированном — расчётное cud. Это не совпадает с прямой подстановкой нормативных значений в МКЭ-программу. См. главу V.6.

V.1.12. [Э] Замечания экспертизы по разделу расчёта по ПС

Замечание 1. «Не указана категория ответственности сооружения.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Категория ответственности» с обоснованием выбора (привязка к функции объекта, окружающей застройке, требованиям заказчика).

Замечание 2. «Не выполнена одна из проверок ПС-1.»

Что делать: в пояснительной записке табличный перечень всех проверок ПС-1 (см. V.1.4.1) с указанием результата каждой и пункта СП, на основании которого выполнена проверка. Пропуск любой проверки — отдельное обоснование (например, «не выполнена проверка фильтрационной устойчивости, так как УПВ ниже дна котлована на 4,5 м, что подтверждено гидрогеологическим заключением инженерно-геологических изысканий (ИГИ)»).

Замечание 3. «Не разделены расчёты по ПС-1 и ПС-2.»

Что делать: проверки по ПС-1 и ПС-2 выполняются как отдельные расчёты с разными исходными данными (нагрузки и характеристики) и оформляются раздельными разделами пояснительной записки.

Замечание 4. «Не выполнен расчёт по характерным стадиям.»

Что делать: для каждой характерной стадии откопки — отдельная расчётная схема, эпюры, проверки ПС-1 и ПС-2. Минимум 3-4 стадии для одноярусной схемы; 5-7 для многоярусной.

Замечание 5. «Не учтена особая расчётная ситуация (сейсмика для объекта в сейсмическом районе).»

Что делать: для объектов в зонах сейсмичности от 7 баллов и выше — отдельный расчёт на особое сочетание с сейсмическим воздействием по СП 14.

Замечание 6. «Двойное применение γn.»

Что делать: проверить расчёт; γn должен быть применён один раз, либо к усилию, либо к сопротивлению. Указать в пояснительной записке формулу с подстановкой коэффициентов.

Замечание 7. «Не приведены численные значения предельно допустимых деформаций.»

Что делать: в составе раздела ПС-2 — таблица с предельно допустимыми значениями для всех контролируемых параметров (смещение верха стенки, осадка тыльной стороны, осадка соседних зданий, крены) с указанием СП / категории состояния зданий, по которым приняты значения.

V.1.13. [?] Дискуссионные вопросы и границы методики

1. Применимость метода ПС к МКЭ-расчёту. Метод ПС методически разработан для классических расчётов с явным разделением γf, γg, γm. В МКЭ это разделение менее естественно: одна модель грунта одновременно даёт и усилия, и деформации. В практике применяются два подхода: (а) расчёт ведётся по нормативным значениям, к итоговым усилиям применяется γn; (б) одна модель с расчётными характеристиками для ПС-1, отдельная модель с нормативными для ПС-2. Какой подход применять — на решение проектировщика и экспертизы.

2. Категория ответственности временного ограждения рядом со зданием категории II. Формально временное ограждение — КС-2. Но при наличии чувствительного соседства фактический риск отказа — как у КС-3. Какой γn применять — на решение проектировщика по согласованию с экспертизой.

3. Учёт стохастической природы характеристик грунтов. Метод γg по СП — детерминистический. Современная инженерная практика (Eurocode 7, EAU 2020) использует более развитые вероятностные подходы. В РФ нормативно — γg, но проектировщик может в обоснование подкреплять расчёт вероятностной оценкой.

4. Граница между ПС-2 (деформации) и аварийной ситуацией (превышение деформаций соседнего здания > предельных). Превышение деформаций на этапе строительства — это формально нарушение ПС-2 (затруднение эксплуатации), но в реальности — это критическая ситуация с угрозой ПС-1 для соседнего здания. Регламент реагирования — см. главу IX «Геотехнический мониторинг».

Если возникают вопросы: - по обоснованию категории ответственности для нестандартного объекта; - по выбору расчётной ситуации (постоянная / временная / особая) для сооружения, остающегося в проекте; - по составу проверок ПС-1 для гидротехнического / морского / сейсмического объекта; - по применению МКЭ в постановке ПС-1 и ПС-2;

— проектировщик консультирует бесплатно. См. раздел «О проектном отделе ».

V.1.15. Литература к главе

1. ГОСТ 27751-2014. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения. — М.: Стандартинформ, 2015.
2. СП 20.13330. Нагрузки и воздействия. — М.: Минстрой России.
3. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений. — М.: Минстрой России.
4. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования. — М.: Минстрой России.
5. СП 16.13330. Стальные конструкции. — М.: Минстрой России.
6. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ.
7. Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ.
8. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат.
9. Пособие по проектированию подпорных сооружений (к СП 381). — М.: НИИОСП.

Зарубежные (справочно): 10. EN 1990. Eurocode: Basis of structural design. 11. EN 1997-1. Eurocode 7: Geotechnical design — Part 1: General rules. 12. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures.

[В: финальная сверка библиографии по ГОСТ Р 7.0.5-2008 на этапе подготовки полной редакции.]

Нормы: СП 20.13330, СП 381.1325800, СП 45.13330, СП 22.13330, СП 248.1325800, СП 16.13330, ГОСТ 27751, СП 14.13330

V.2. Консольные ограждения

Схема применяется при умеренной глубине котлована (как правило, до 4-6 м) и достаточном пассивном отпоре в основании. Это первый кандидат на проверку при выборе расчётной схемы: если консольная схема обеспечивает требуемые предельные состоя…

V.2.1. Задача

Консольное ограждение — простейшая схема шпунтового сооружения: гибкая стенка работает как «защемлённая консоль» в грунте основания, без анкеров и распорок. Удерживающее усилие обеспечивается только пассивным отпором грунта в зоне заделки.

Схема применяется при умеренной глубине котлована (как правило, до 4-6 м) и достаточном пассивном отпоре в основании. Это первый кандидат на проверку при выборе расчётной схемы: если консольная схема обеспечивает требуемые предельные состояния (ПС) первой и второй групп (ПС-1 и ПС-2) — она самая дешёвая и технологичная (нет анкерных работ, нет распорной системы, минимум сопутствующих конструкций).

Глава излагает методику расчёта консольных ограждений с применением шпунтовых профилей по нормативной базе РФ.

V.2.2. Нормативная база главы

• СП 381.1325800 — раздел расчёта консольных подпорных сооружений (п. 6.4.8-6.4.9, с. 39: приближённый метод расчёта консольных гибких подпорных стен как балки, защемлённой в грунте; эпюры давления — прил. Е, с. 94-99).
• СП 45.13330 — общие требования к ограждениям котлованов.
• СП 22.13330 — расчёт деформаций (ПС-2).
• СП 16.13330 — проверка стального сечения шпунта.
• СП 20.13330 — пригрузки на бровке.

Пособия и монографии: - Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат. - Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа. - Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков (содержит также методики для консольных). - Пособие по проектированию подпорных сооружений (НИИОСП).

V.2.3. Расчётная схема

V.2.3.1. Принципиальная схема

Консольная шпунтовая стенка работает как вертикальная балка с защемлением в грунте (см. рис. V.2.1). Действующие усилия:

V.2.3.2. Два варианта математической постановки

В классическом расчёте применяются два варианта:

Вариант А — метод свободного нижнего конца (упрощённый). Принимается, что низ стенки может свободно поворачиваться. Расчёт сводится к балке с одной опорой в зоне пассивного отпора. Применяется для предварительного подбора профиля.

Вариант Б — метод защемлённого нижнего конца (точный). Принимается, что низ стенки защемлён в грунте основания. Расчётная глубина заделки определяется из условия защемления. Применяется для финального расчёта.

В отличие от анкерной схемы (глава V.4), в консольной обе постановки дают близкие результаты при глубине заделки t ≥ (1,5...2,0)·H, поскольку защемление становится «жёстким» и низ практически не поворачивается.

V.2.4. Эпюры активного давления и пассивного отпора

V.2.4.1. Активное давление

На глубине z от поверхности грунта за стенкой:

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.22, с. 166, формулы (9.5) и (9.8) \(K_a=\mathrm{tg}^2(45°-\varphi/2)\); СП 381.1325800.2018, прил. Е, с. 94-99 (построение эпюры активного давления, в т.ч. послойно); Цытович Н.А., Механика грунтов (активное давление связных грунтов, стр. 154-157); Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов. [Э: формула сверена с СП 22, п. 9.22 — \(K_a(\gamma z+q)-2c\sqrt{K_a}\) тождественна записи справочника.]

где: - \(\gamma'\) — удельный вес грунта (с учётом взвешивания при положении ниже уровня подземных вод (УПВ)); - \(K_a = \tan^2(45° - \varphi/2)\) — коэффициент активного давления по Ренкину; - \(c\) — удельное сцепление; - \(q\) — равномерно распределённая пригрузка.

Для слоистого разреза эпюра строится послойно с применением характеристик соответствующего слоя.

[!] Учёт сцепления и трещин. При наличии связных грунтов с \(c > 10\) кПа активное давление в верхней зоне (на глубине z < z_c = 2c/(γ·√K_a)) формально получается отрицательным (растяжение). В этой зоне грунт может отойти от стенки и образовать вертикальную трещину. В практике на этой глубине принимается \(p_a = 0\) (или \(p_a = q·K_a\) при наличии пригрузки) — это в запас по прочности.

V.2.4.2. Пассивный отпор

На глубине z' от уровня дна котлована:

где \(K_p = \tan^2(45° + \varphi/2) = 1/K_a\).

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.23, с. 167, формулы (9.9) и (9.12) \(K_p=\mathrm{tg}^2(45°+\varphi/2)\); СП 381.1325800.2018, п. 6.2 (предельные давления грунта); Цытович Н.А., Механика грунтов (пассивный отпор по Ренкину); Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки [В: не подтверждено — Будина среди первоисточников нет]. [Э: формула сверена с СП 22, п. 9.23 — \(K_p(\gamma z+q)+2c\sqrt{K_p}\).]

V.2.4.3. Расчёт под УПВ

При наличии УПВ выше дна котлована к эпюре активного давления добавляется гидростатическое давление воды, а к удельному весу грунта применяется поправка на взвешивание.

При перепаде УПВ между задней и передней стороной стенки — также учитывается фильтрационное давление (см. главу V.8 в части устойчивости дна котлована).

V.2.5. Расчёт по методу свободного нижнего конца (Вариант А)

V.2.5.1. Условие равновесия

Сумма моментов относительно нижней точки стенки:

Источник: СП 381.1325800.2018, п. 6.4.8, с. 39 (аналитические и графоаналитические методы допускаются для расчёта консольных подпорных стен; определяется необходимая глубина заделки и внутренние усилия); Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки (метод свободного нижнего конца) [В: не подтверждено]; Гордеев П.Н., Гордеев М.П., Расчёт и конструирование одноанкерных больверков [В: не подтверждено].

где: - \(M_a\) — момент от активного давления (на участке от поверхности до низа стенки); - \(M_p\) — момент от пассивного отпора (на участке от дна котлована до низа стенки).

Это даёт уравнение относительно глубины заделки \(t\).

V.2.5.2. Алгоритм

1. Принимается предварительная глубина заделки \(t_0 \approx (1{,}0…1{,}5) \cdot H\).
2. Строится эпюра активного давления от поверхности до глубины \(H + t_0\).
3. Строится эпюра пассивного отпора от дна котлована до глубины \(t_0\).
4. Подсчитываются равнодействующие \(E_a\), \(E_p\) и их плечи.
5. Проверяется уравнение моментов. Если \(M_p < M_a\) — глубина \(t\) увеличивается; если \(M_p > M_a\) с большим запасом — может быть уменьшена.
6. Итерационно определяется \(t_{расч}\).
7. К расчётной глубине прибавляется запас по СП 381: \(t_{факт} = t_{расч} \cdot (1 + \Delta)\), где \(\Delta\) принимается обычно 20-40% (СП 381.1325800.2018, п. 6.4.9, с. 39 определяет «минимально допустимую глубину заделки»; конкретное числовое значение \(\Delta\) как процент в тексте СП 381 [В: не подтверждено — числовое значение запаса в СП 381 не приводится, принимается проектировщиком]).
8. Определяется максимальный изгибающий момент в сечении, где поперечная сила равна нулю.

V.2.6. Расчёт по методу защемлённого нижнего конца (Вариант Б)

V.2.6.1. Идея метода

Низ стенки считается жёстко защемлённым в грунте. В сечении на глубине заделки возникает изгибающий момент защемления \(M_{защ}\), компенсирующий поворот сечения.

V.2.6.2. Алгоритм (графоаналитический)

1. Строится эпюра нагрузки на стенку: активное давление минус пассивный отпор на участке 0...H+t.
2. Вычисляется поперечная сила \(Q(z) = \int q(z) \, dz\) интегрированием эпюры нагрузки.
3. Находится точка \(z_0\), где \(Q(z_0) = 0\) (это точка максимального момента).
4. Вычисляется изгибающий момент \(M(z) = \int Q(z) \, dz\).
5. Условие защемления низа: угол поворота сечения в точке защемления равен нулю. В графоаналитической интерпретации — равенство площадей эпюры \(M(z)\) выше и ниже точки \(z_0\).
6. Это даёт нелинейное уравнение относительно \(t\), решаемое итерационно (численно).
7. Прибавляется запас по СП 381.

Источник (метод защемлённого конца, \(Q(z)\) и \(M(z)\)): СП 248.1325800.2016 «Сооружения подземные», п. 11.3.1, п. 11.3.4, с. 57-58 (ограждение котлована из шпунта; перечень предельных состояний); СП 381.1325800.2018, п. 6.4.9, с. 39 (консольная стена как балка, защемлённая в грунте, поворот вокруг неподвижной точки О; определяется минимально допустимая глубина заделки и внутренние усилия), п. 6.4.8, с. 39 (графоаналитические методы); Снитко Н.К., Статика сооружений (интегрирование эпюры нагрузки, \(Q(z)=\int q\,dz\), \(M(z)=\int Q\,dz\)) [В: не подтверждено]; Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки (графоаналитический расчёт защемления) [В: не подтверждено]. [Э: ошибочный шифр «СП 248.13330» исправлен на СП 248.1325800.]

V.2.6.3. Соотношение глубин заделки

Типовое соотношение для консольной схемы:

Источник (ориентировочные соотношения \(t/H\)): Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки [В: не подтверждено]; Гордеев П.Н., Гордеев М.П., Расчёт и конструирование одноанкерных больверков [В: не подтверждено]; глубина заделки определяется расчётом по СП 381.1325800.2018, п. 6.4.9, с. 39 [В: конкретные числовые диапазоны \(t/H\) в СП 381 не приводятся — значения справочные, требуют поверки расчётом].

В консольной схеме доля заделки в общей длине шпунта очень велика — обычно \(L = H + t > 2H\), что является главным недостатком схемы.

[!] Эффективность консольной схемы. При \(H > 5-6\) м консольная схема становится нерациональной по расходу стали: длина шпунта превышает 2H, расход металла избыточен, момент в сечении большой. Переход на анкерную или распорную схему обычно даёт экономию 30-50% по металлу при том же ограждении.

V.2.7. Проверка сечения шпунта

После определения максимального изгибающего момента \(M_{max}\) выполняется проверка стального сечения по СП 16.13330:

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 8.2.1, с. 30, формула (41): \(M/(W_{n,min}R_y\gamma_c)\le 1\); расчётное сопротивление стали \(R_y=R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2-3, с. 16 (\(\gamma_m=1{,}025\) при статистическом контроле); ГОСТ 27772 (марки стали, \(R_{yn}\)); ГОСТ 19281 (марки стали) [В: ГОСТ 19281 среди первоисточников нет]. [Э: формула сверена с СП 16, п. 8.2.1 — условие \(M\le W_{n,min}R_y\gamma_c\), деление на \(\gamma_n\) — учёт ответственности по ГОСТ 27751.]

где \(W\) — момент сопротивления сечения шпунта на 1 пог. м (см. Приложение А).

Подбор профиля идёт по сортаменту шпунта (Приложение А, табл. А.1). Из практики для консольных ограждений:

Источник (ориентир по подбору профиля): сортамент (Приложение А, табл. А.1); СП 16.13330; инженерная практика по Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки. Значения справочные, не заменяют поверочный расчёт.

Значения ориентировочные, для типовых грунтов средней плотности. При наличии УПВ, слабых грунтов в зоне заделки, существующей застройки — переход к анкерной схеме обычно неизбежен.

V.2.8. Расчёт деформаций (ПС-2)

Консольная стенка обладает наибольшими деформациями среди всех схем ограждения, поскольку верхняя часть стенки не имеет опоры. Прогиб на отметке верха стенки:

где: - \(\delta_{упругий}\) — упругий прогиб шпунта от изгиба; - \(\delta_{грунт}\) — деформация грунта в зоне заделки (фактически — поворот «защемления»).

В упрощённой постановке (модель балки на упругом основании, метод коэффициента постели):

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.12, с. 162 (расчёты оснований подземных частей по ПС-1 и ПС-2, включая перемещения ограждающих конструкций котлованов); п. 6.4.14 СП 381.1325800.2018, с. 40 (гибкая балка на нелинейно деформируемом упруго-пластическом основании, модель Винклера с коэффициентом постели, растущим с глубиной); Снитко Н.К., Статика сооружений (прогиб консоли под равномерной нагрузкой \(\delta=qH^4/8EI\)) [В: не подтверждено]; Цытович Н.А., Механика грунтов (метод коэффициента постели — гипотеза Фусса-Винклера, \(p=C_z z\), стр. 180-181; модель балки на упругом основании).

где \(q_{экв}\) — эквивалентная распределённая нагрузка от давления грунта.

В реальных условиях деформация рассчитывается методом конечных элементов (МКЭ) (см. главу V.6) с моделью грунта Hardening Soil или Mohr-Coulomb.

V.2.8.1. Типовые расчётные деформации

Источник (типовые деформации): СП 22.13330.2016, п. 9.12, с. 162 (ПС-2 оснований подземных частей сооружений); Цытович Н.А., Механика грунтов; обобщение МКЭ-расчётов практики. Значения ориентировочные, требуют поверки расчётом.

[!] Деформации консольной схемы могут быть несовместимы с категорией состояния окружающей застройки. При H = 5-7 м смещение верха стенки 40-90 мм недопустимо рядом со зданиями категории II и хуже. Это типовая причина перехода на анкерную или распорную схему даже при умеренной глубине котлована.

V.2.9. Численный пример: котлован 4,5 м в средних песках [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

V.2.9.1. Исходные данные

Объект: котлован под трансформаторную подстанцию на свободной площадке, без окружающей застройки.

Геометрия: - H = 4,5 м; - ограждение — стальной шпунт (профиль подбирается); - угол котлована — прямой, без сложной геометрии; - глубина залегания УПВ — на 8 м от поверхности (вне зоны заделки).

Грунты (условный разрез): - слой 1 (0…2,0 м): насыпной грунт + почвенный слой, \(\gamma = 17\) кН/м³, \(\varphi = 22°\), \(c = 5\) кПа; - слой 2 (2,0…10,0 м): песок средней крупности, \(\gamma = 19\) кН/м³, \(\varphi = 32°\), \(c = 0\) кПа.

Нагрузка на бровке: - \(q = 15\) кПа (от строительной техники).

Категория ответственности: КС-2 (типовое временное сооружение).

V.2.9.2. Расчёт по методу свободного нижнего конца

Активное давление в слое 2 (z = 2,0...4,5 м):

\(K_{a2} = \tan^2(45° - 16°) = \tan^2 29° = 0{,}307\).

На верхе слоя 2 (z = 2,0 м, от поверхности грунта): $\(p_{a2}(2{,}0) = (17 \cdot 2{,}0 + 15) \cdot 0{,}307 = 49 \cdot 0{,}307 \approx 15{,}0 \text{ кПа}\)$

На уровне дна котлована (z = 4,5 м): $\(p_{a2}(4{,}5) = (17 \cdot 2{,}0 + 19 \cdot 2{,}5 + 15) \cdot 0{,}307 = 96{,}5 \cdot 0{,}307 \approx 29{,}6 \text{ кПа}\)$

Пассивный отпор (от уровня дна котлована, в слое 2):

\(K_{p2} = 1/0{,}307 = 3{,}26\).

На глубине \(z' = 1\) м от дна: $\(p_p(1) = 19 \cdot 1 \cdot 3{,}26 \approx 62 \text{ кПа}\)$

на \(z' = 2\) м: \(p_p = 124\) кПа.

Источник (расчёт эпюр в примере): СП 22.13330.2016, п. 9.22, с. 166 (активное давление, формулы 9.5/9.8) и п. 9.23, с. 167 (пассивное давление, формулы 9.9/9.12); СП 381.1325800.2018, прил. Е, с. 94-99 (построение эпюр); Цытович Н.А., Механика грунтов; Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки [В: не подтверждено]. Арифметика [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]: \(K_{a2}=\tan^2 29°=0{,}307\); \(K_{p2}=1/0{,}307=3{,}26\).

Подбор глубины заделки:

Итерационный расчёт (выполнен численно) даёт:

С запасом по СП 381 (Δ ≈ 25%):

Полная длина шпунта:

Принимаем стандартную длину поставки 10 м (ближайшая стандартная длина превышающая 9,3 м).

Максимальный изгибающий момент:

Находится в зоне между точкой нулевого момента (на уровне дна котлована) и точкой нулевой поперечной силы. Численный расчёт даёт:

V.2.9.3. Подбор профиля

Требуемый момент сопротивления (для КС-2, S355GP): $\(W_{треб} = \frac{M_{max} \cdot \gamma_n}{R_y \cdot \gamma_c / \gamma_m} = \frac{95 \cdot 10^3 \cdot 1{,}0}{335 \cdot 0{,}95 / 1{,}025} \approx 306 \text{ см}^3/\text{м}\)$

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 8.2.1, с. 30, формула (41) (требуемый момент сопротивления из условия прочности при изгибе); \(R_y=R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2-3, с. 16; ГОСТ Р 58034 [В: не подтверждено]. Проверка арифметики [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]: \(335\cdot0{,}95/1{,}025=310{,}5\) МПа; \(95\cdot10^3/310{,}5\approx306\) см³/м.

По сортаменту (Приложение А, табл. А.1) ближайший подходящий профиль — ** 616** (W = [В: уточнить по сортаменту], запас [В] раз).

Решение по технологичности: при таком большом запасе по моменту профиль фактически определяется минимальной маркой в сортаменте шпунта. Принимаем ** 616** как самый лёгкий в линейке.

Расход стали: \(L \cdot m_2 = 9{,}3 \cdot m_2 \approx\) [В: пересчитать по массе 616] кг/м длины ограждения; либо \(L \cdot m_1 / b\) (та же цифра).

V.2.9.4. Проверка деформаций

Упрощённая оценка по балочной модели в SCAD:

Допустимое для КС-2 без окружающей застройки: $\(\delta_{доп} = 0{,}005 \cdot H = 0{,}005 \cdot 4500 = 22{,}5 \text{ мм}\)$

Источник (предельная деформация ограждения): СП 22.13330.2016, п. 9.12, с. 162 (ПС-2 — перемещения ограждающих конструкций котлованов); СП 381.1325800.2018, п. 6.4.14, с. 40 (расчёт перемещений гибкой стены) [В: конкретный коэффициент \(0{,}005H\) как предельное значение в СП 22/СП 381 численно не задан — справочный, уточнить по проекту и категории ответственности (по СП 22 предельные дополнительные деформации устанавливаются для окружающей застройки, прил. к разделу 9)].

Условие выполнено с запасом.

V.2.9.5. Итог

Подбор профиля определён условиями технологичности, а не моментом. Запас по моменту [В: уточнить по сортаменту 616].

V.2.10. [!] Особенности применения консольной схемы

1. Граница рациональности — H = 5-6 м. Свыше этого размера консольная схема становится нерациональной по расходу стали (длина шпунта более 2H), деформации становятся избыточными, переход на анкерную/распорную схему обычно неизбежен.

2. Чувствительность к слабому слою в зоне заделки. Если в основании шпунта залегает слабый слой (моренная глина, плывун, илы) на глубине 1-2 м от дна котлована, классический расчёт даёт неконсервативный результат: пассивный отпор не мобилизуется в полной мере. Обязателен поверочный МКЭ с моделью грунта, учитывающей нелинейность.

3. Опрокидывание под фильтрационным давлением. При наличии УПВ выше дна котлована и фильтрации воды снаружи внутрь — действует дополнительная сила, опрокидывающая стенку. Учёт обязателен, проверка фильтрационной устойчивости — отдельно.

4. Деформации верхней части стенки. Консольная стенка при больших H даёт значительные деформации в верхней части (десятки миллиметров). Это несовместимо с категорией состояния зданий II и хуже. Часто это становится причиной отказа от консольной схемы даже при умеренной H.

5. Эффективная длина шпунта. При глубине заделки \(t > 1{,}5 H\) нижняя часть стенки фактически не работает на изгиб, а является «балластом» в грунте. Это указывает на нерациональность схемы — обычно при таких t лучше анкерная схема.

6. Сейсмические воздействия консольную схему делают невыгодной. В сейсмических районах при той же глубине H консольная схема требует на 30-50% больше длины шпунта; обычно переход на анкерную схему обязателен.

7. Не путать консольную схему с распорной "одноярусной". В распорной "одноярусной" схеме верх стенки опирается на распорку поперёк котлована — это не консоль. Консольная схема — без всяких опор сверху.

V.2.11. [Э] Замечания экспертизы по консольной схеме

Замечание 1. «Не обоснован выбор консольной схемы при H > 5 м.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Обоснование выбора расчётной схемы» с расчётом сравнительных вариантов: - консольная схема vs анкерная: затраты стали, деформации, технология; - ограничения окружающей застройки; - сроки производства работ.

Замечание 2. «Не учтено фильтрационное давление при наличии УПВ выше дна котлована.»

Что делать: проверка фильтрационной устойчивости дна котлована (см. главу V.8) с расчётом фильтрационного давления и его влияния на пассивный отпор.

Замечание 3. «Не приведена проверка опрокидывания.»

Что делать: в составе ПС-1 — проверка устойчивости положения шпунтовой стенки от опрокидывания относительно нижней точки. Условие: \(M_{удерж} \geq \gamma_n \cdot M_{опрок}\), где \(\gamma_n\) для устойчивости положения — обычно 1,1-1,2.

Источник: СП 381.1325800.2018, п. 6.3.23, с. 37, формула (6.12): \(M_{sa}\le(\gamma_d/\gamma_n)M_{sr}\) — условие устойчивости против опрокидывания (\(\gamma_d=1{,}0\) — коэффициент условий работы), а также п. 6.1.20, с. 25 (\(\gamma_n\) — по ответственности по ГОСТ 27751); СП 22.13330; Будин А.Я., Тонкие подпорные стенки [В: не подтверждено]; Цытович Н.А., Механика грунтов. [Э: условие сверено с СП 381, п. 6.3.23. Конкретное число \(\gamma_n=1{,}1{-}1{,}2\) в СП 381 не приводится — определяется по ГОСТ 27751 в зависимости от уровня ответственности.]

Замечание 4. «Не выполнен расчёт деформаций (ПС-2).»

Что делать: для консольной схемы расчёт деформаций обязателен независимо от наличия окружающей застройки (для контроля собственной геометрии работ).

Замечание 5. «Не учтены особенности глины в зоне заделки.»

Что делать: для глинистых грунтов в зоне заделки — расчёт в недренированной постановке (по cu) для строительного периода и поверочный расчёт в МКЭ с моделью Soft Soil или Hardening Soil.

V.2.12. [?] Дискуссионные вопросы

1. Граничный H для применимости консольной схемы. В различных школах называются значения от 4 до 7 м. На решение проектировщика — с учётом всех факторов (грунты, окружение, нагрузки).

2. Учёт запаса Δ глубины заделки. Точное значение Δ в СП 381 разрабатывается; в практике применяется диапазон 20-40% в зависимости от характеристик грунта в зоне заделки.

3. Применимость к гидротехническим сооружениям. Постоянные подпорные сооружения с консольной схемой — это редкость; обычно применяется при временных сооружениях или малых высотах.

Если проектируете консольное ограждение: - глубиной H = 5-7 м (на границе применимости); - в слабых грунтах в зоне заделки; - рядом со зданиями категории II и хуже; - в сейсмических районах;

— проектировщик выполнит предварительный сравнительный расчёт (консоль vs анкер) бесплатно с рекомендацией оптимальной схемы.

V.2.14. Литература к главе

1. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
2. СП 45.13330. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
3. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
4. СП 16.13330. Стальные конструкции.
5. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа.
7. Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков.
8. Мангушев Р.А., Карлов В.Д. Геотехнический мониторинг в строительстве. — СПб.: СПбГАСУ.
9. Сорочан Е.А. Подпорные стены для промышленного и гражданского строительства.

Зарубежные (справочно): 10. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 11. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. 12. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 381.1325800, СП 45.13330, СП 22.13330, СП 16.13330, СП 20.13330, СП 248.1325800, СП 248.13330, ГОСТ 27772

V.3. Распорные ограждения

Выбранная распорная схема (число ярусов — минимально возможное по СП 381), усилия в распорках по стадиям откопки, сечение распорки и обвязки, диапазон W шпунта (Шпунт ), параметры предварительного натяжения, контрольный набор файлов для КР/…

Результат главы. Выбранная распорная схема (число ярусов — минимально возможное по СП 381), усилия в распорках по стадиям откопки, сечение распорки и обвязки, диапазон W шпунта (Шпунт ), параметры предварительного натяжения, контрольный набор файлов для КР/проекта организации строительства (ПОС)/проекта производства работ (ППР) с регламентом демонтажа.

V.3.1. Задача

Распорное ограждение — это шпунтовая стенка, удерживаемая поперечными распорками (расстрелами), пересекающими котлован и опирающимися на противоположную стенку. В отличие от анкерной схемы (глава V.4), здесь нет грунтовых анкеров — пара противоположных стенок «распирает» друг друга через распорки.

Схема применяется: - в плотной городской застройке, где невозможно установить анкеры (соседние фундаменты, коммуникации в зоне предполагаемого корня); - при многоярусной откопке глубоких котлованов (H = 10-20 м и более); - для котлованов небольших размеров в плане, где распорки конструктивно проще анкеров; - для гидротехнических объектов с водопонижением, где грунтовые анкеры могут потерять несущую способность.

Распорная схема — технологически сложнее анкерной (требуется монтаж конструкций внутри котлована, что мешает производству работ), но более надёжна и контролируема (усилия в распорках измеряются напрямую, без зависимости от качества инъектирования корня).

Глава излагает методику расчёта одно- и многоярусных распорных ограждений из Шпунтовых профилей по нормативной базе РФ.

[!] Нормативный принцип СП 381: минимально возможное число ярусов крепления. СП 381 указывает проектировать подпорные сооружения с минимально возможным числом ярусов крепления. Распорные системы часто оказываются наиболее экономичными; грунтовые анкеры, как правило, дороже, но дают выигрыш по свободе работы в котловане (нет распорок внутри). Выбор «распорки vs анкеры» — не только инженерный, но и технико-экономический; число ярусов минимизируется. Источник: СП 381.1325800.2018, п. 5.2.4, с. 14 («предпочтение следует отдавать консольным схемам или схемам с минимальным количеством ярусов крепления»).

V.3.2. Нормативная база главы

• СП 381.1325800 — раздел расчёта распорных подпорных сооружений (распорные системы — п. 7.2, с. 41-43; минимум ярусов крепления — п. 5.2.4, с. 14; глубина заделки гибких стен — п. 6.4.8-6.4.10, с. 39).
• СП 248.1325800 — для глубоких котлованов (более 5 м) и подземных сооружений.
• СП 45.13330 — общие требования.
• СП 16.13330 — расчёт стальных распорок, узлов крепления, обвязочного пояса.
• СП 20.13330 — нагрузки и температурные воздействия (важно для длинных распорок).
• СП 22.13330 — деформации и зона влияния.

Пособия и монографии: - Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции. - Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. — М.: АСВ. - Тер-Мартиросян З.Г. Реконструкция и усиление оснований и фундаментов. - Будин А.Я. Городские и портовые набережные.

V.3.3. Конструктивные варианты

V.3.3.1. По количеству ярусов

Одноярусная распорка (H = 4-8 м). Один пояс распорок на отметке примерно H/3 от верха стенки. Применяется для умеренных глубин и небольших котлованов.

Двухъярусная (H = 8-12 м). Два пояса распорок: верхний на отметке примерно H/4, второй — на отметке (2/3)H. Самая распространённая схема для городских котлованов средней глубины.

Трёхъярусная и более (H > 12 м). Несколько ярусов с шагом по высоте 3-5 м. Применяется для глубоких котлованов в условиях плотной застройки (метро, подземные паркинги).

V.3.3.2. По геометрии распорной системы

Прямые распорки (параллельные стороны котлована). Самая простая схема, применима для котлованов прямоугольной формы шириной до 25-30 м (после этого устойчивость распорки на продольный изгиб становится критической).

Диагональные распорки. Для прямоугольных котлованов большой длины. Распорки идут по диагонали в каждом углу + дополнительные поперечные в середине.

Радиальные распорки (для круглых котлованов). Распорки расходятся радиально от центра к стенкам. Применяется для шахт круглой формы.

Подкосы (наклонные распорки). Для котлованов с возможностью опирания на жёсткое дно (свайные фундаменты, скала). Подкосы передают усилия в дно котлована.

V.3.3.3. По материалу распорки

Стальные трубы — самый распространённый материал (труба Ø 426-1020 мм по ГОСТ 10704). Высокая жёсткость, простота изготовления, контроль усилий тензометром.

Двутавры — для коротких пролётов (до 15 м) или ярусов с малой нагрузкой.

Железобетонные распорки — для постоянных сооружений или особо ответственных объектов (тоннели метро). Большая жёсткость и долговечность, но сложность изготовления и монтажа.

V.3.4. Расчётная схема

V.3.4.1. Многоярусная распорная схема — балка на нескольких опорах

Шпунтовая стенка моделируется как многопролётная балка с опорами: - верхняя — на отметке 1-го яруса распорок; - промежуточные — на отметках 2-го, 3-го и т.д. ярусов; - нижняя — в зоне пассивного отпора (либо защемлённая, либо свободная — см. главу V.2 / V.4).

Эпюра активного давления и пассивного отпора — как в консольной (V.2) и анкерной (V.4) схеме. Реакции в опорах = усилия в распорках на 1 пог. м стенки. Умножением на шаг распорок \(s\) получаются усилия на одну распорку.

V.3.4.2. Учёт стадийности откопки

Это ключевая особенность распорной схемы. В отличие от анкерной, где можно условно говорить о финальной картине, в распорной каждая стадия откопки имеет свою опорную схему:

Источник: СП 248.1325800 «Сооружения подземные», п. 8.8.7, с. 40 («расчётная модель должна учитывать возможность выполнения поэтапного расчёта… примером может быть расчёт ограждений котлованов с многоярусным креплением») и п. 8.7.7, с. 38-39 (деформации с учётом последовательности нагружения); СП 381.1325800, п. 7.2.9, с. 43 («при проектировании распорных систем требуется выполнять расчёты для сценариев, соответствующих как стадиям экскавации грунта, так и стадиям демонтажа распорок»); Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. «Геотехническое сопровождение реконструкции городов»; Перлей Е.М. (заглубленные сооружения).

[!] Стадии откопки до установки очередного яруса — наиболее опасны. В реальности часто оказывается, что максимальный момент в стенке возникает не на финальной стадии, а на промежуточной — когда откопано до очередного яруса, но распорка ещё не установлена.

V.3.4.3. Эквивалентное балочное представление

Современная практика использует программные комплексы (SCAD, ЛИРА, GEO5, PLAXIS) для решения многопролётной балки с переменной нагрузкой и опорами. Ручной расчёт даже для 2-ярусной схемы становится очень громоздким.

В программных комплексах: - стенка моделируется как балка с переменной (по стадиям) опорной схемой; - активное давление и пассивный отпор задаются как распределённые нагрузки; - пассивный отпор моделируется через коэффициент постели (метод Винклера) или через нелинейную «пружину» (упругая до предела, далее пластическая); - каждая стадия откопки задаётся как отдельный расчётный случай.

V.3.5. Расчёт распорки

V.3.5.1. Усилие в распорке

После определения реакции \(R_i\) на ярусе \(i\) (на 1 пог. м стенки) усилие на одну распорку:

где \(s_i\) — шаг распорок по этому ярусу.

К расчётному усилию добавляется запас на неравномерность распределения (между распорками одного яруса):

где \(k_{неравн} = 1{,}1-1{,}2\) — коэффициент неравномерности. [В: численное значение \(k_{неравн}\) — практика, не подтверждено (в СП 381 п. 7.2 нет численного коэффициента неравномерности для распорок).]

Источник: СП 381.1325800 (распорные системы — общие требования и расчёт), п. 7.2.4, 7.2.8-7.2.9, с. 42-43; Далматов Б.И. «Механика грунтов, основания и фундаменты», гл. 11 «Крепление котлованов», §43, с. 228-232 (реакции в креплении котлована). Значение \(k_{неравн}\) — практика, [В: не подтверждено].

V.3.5.2. Прочность распорки (сжатие)

Распорка работает на продольное сжатие. Условие устойчивости (по СП 16.13330):

где: - \(\varphi\) — коэффициент продольного изгиба (зависит от гибкости стержня); - \(A\) — площадь сечения трубы / двутавра; - \(R_y\) — расчётное сопротивление стали.

Гибкость стержня: $\(\lambda = \frac{l_0}{i}\)$

где \(l_0\) — расчётная длина (для шарнирно опёртой распорки \(l_0 = l\), для жёстко защемлённой \(l_0 = 0{,}5 l\)), \(i\) — радиус инерции сечения.

Для стальных труб типовые значения: гибкость 80-130; коэффициент \(\varphi\) при гибкости 100 ≈ 0,6, при 130 ≈ 0,4.

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 7.1.3, с. 19-20 (расчёт на устойчивость элементов сплошного сечения при центральном сжатии: \(N/(\varphi A R_y \gamma_c) \leq 1\), формула (7); \(\varphi\) по формулам (8), (9)); табличные значения \(\varphi\) — табл. Д.1 приложения Д, с. 122-131 («Коэффициенты устойчивости при центральном сжатии»).

V.3.5.3. Температурные удлинения

Стальная распорка длиной 25-30 м удлиняется на 5-10 мм при перепаде температуры 20°C:

Источник: СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», раздел 13 «Температурные климатические воздействия», п. 13.1, с. 27 (учёт изменения средней температуры \(\Delta t\) и перепада по сечению для конструкций, не защищённых от суточных и сезонных изменений температуры); коэффициент линейного расширения стали \(\alpha = 12 \cdot 10^{-6}\ \text{°C}^{-1}\) — справочная физическая константа [В: численное значение \(\alpha\) в СП 16 явно не приведено].

Это удлинение препятствуется шпунтовыми стенками (распорка зажата между ними), что вызывает дополнительные напряжения в распорке и реакции в стенке.

Условие учёта температуры: при \(\Delta T_{сезон} > 15-20\)°C и длине распорки \(L > 15\) м — обязательный учёт температурных воздействий в расчёте.

Меры снижения: - шарнирное опирание одного конца распорки (компенсатор); - предварительное натяжение распорки на величину, компенсирующую сезонные изменения; - защита распорок от прямого солнца (теневые навесы).

[!] Температурное удлинение — частая причина превышения расчётного усилия в распорке. В отчётах мониторинга нередко регистрируется превышение N на 30-50% от расчётного при отсутствии других объяснений. Анализ показывает, что это сезонные температурные эффекты.

V.3.5.4. Расчёт опорного узла (узел крепления распорки к обвязке шпунта)

Опорный узел распорки (см. узел У-03 в Альбоме типовых узлов — Приложение В) рассчитывается на: - передачу осевого усилия от распорки на обвязочный пояс; - учёт эксцентриситета (если он есть); - местную устойчивость стенки трубы / шпунта в зоне передачи усилия; - сварные швы (для приварных узлов) или болтовые соединения.

Подробно — глава VI.3 (в полной редакции).

V.3.6. Численный пример: трёхъярусная распорная схема, H = 12 м [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

V.3.6.1. Исходные данные

Объект: котлован под подземный паркинг в плотной городской застройке (Москва, ЦАО). Размеры в плане 30 × 50 м. Глубина H = 12 м.

Окружение: - по двум сторонам — кирпичные здания середины XX века в 6-8 м от ограждения, категория состояния II; - по другим двум — улицы с подземными коммуникациями (теплосеть, водопровод).

Анкерные системы неприменимы (фундаменты соседних зданий и коммуникации в зоне предполагаемых корней). Решение — трёхъярусная распорная схема.

Грунтовые условия (условные): - слой 1 (0…3,0 м): насыпной + почвенный, \(\gamma = 17\) кН/м³, \(\varphi = 22°\), \(c = 5\) кПа; - слой 2 (3,0…9,0 м): суглинок тугопластичный, \(\gamma = 18\) кН/м³, \(\varphi = 18°\), \(c = 25\) кПа; - слой 3 (9,0…20,0 м): песок средней крупности, \(\gamma = 19\) кН/м³, \(\varphi = 32°\), \(c = 0\).

Уровень подземных вод (УПВ) — на глубине 11 м (попадает в зону заделки шпунта).

Категория ответственности: КС-3 (повышенная, из-за окружающей застройки категории II).

V.3.6.2. Принятая компоновка

• Шпунт (марка по подбору), длина по подбору;
• Распорные ярусы:
• 1-й ярус: отметка −2,5 м от поверхности, шаг распорок \(s_1 = 4\) м;
• 2-й ярус: отметка −6,0 м, шаг \(s_2 = 4\) м;
• 3-й ярус: отметка −9,5 м, шаг \(s_3 = 4\) м;
• Распорки — стальные трубы Ø 530×10 мм, S355GP;
• Обвязочный пояс — 2 двутавра № 40Б1 по ГОСТ 26020.

V.3.6.3. Расчёт по стадиям (выполнено в SCAD)

Источник: СП 248.1325800, п. 8.8.7, с. 40 (поэтапный расчёт ограждений котлованов с многоярусным креплением) и СП 381.1325800, п. 7.2.9, с. 43 (расчёт распорных систем по стадиям экскавации и демонтажа); активное давление/пассивный отпор — Цытович Н.А. «Механика грунтов», Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов» (теории Кулона/Ренкина в изложении российской школы); реализация — балка на упругом основании (метод Винклера). [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ; численные значения — результат расчёта в ПО].

Максимальный изгибающий момент в стенке — 305 кН·м/м на финальной стадии.

Максимальные усилия в распорках: - 1-й ярус: \(N_1 = 425\) кН на распорку (с шагом 4 м: \(N_1/s_1 = 106\) кН/м реакция на стенку); - 2-й ярус: \(N_2 = 545\) кН; - 3-й ярус: \(N_3 = 480\) кН.

С учётом коэффициента неравномерности \(k = 1{,}1\) и температурного воздействия (предусмотрено компенсатором, \(\Delta N_{темп} = 50\) кН для трубы Ø 530 длиной 30 м при \(\Delta T = 20°\)C):

Самая нагруженная — 2-й ярус (650 кН на распорку).

V.3.6.4. Подбор сечения распорки

Условие: распорка Ø 530×10, S355GP, расчётная длина (с компенсатором — шарнирное опирание) \(l_0 = 30\) м.

Параметры сечения трубы Ø 530×10 (наружный \(D = 530\) мм, внутренний \(d = 510\) мм): - Площадь сечения: \(A = \dfrac{\pi(D^2 - d^2)}{4} = \dfrac{\pi(530^2 - 510^2)}{4} \approx 16\,330\) мм² = 163 см². - Радиус инерции кольцевого сечения: \(i = \dfrac{\sqrt{D^2 + d^2}}{4} = \dfrac{\sqrt{530^2 + 510^2}}{4} \approx 184\) мм.

Гибкость: $\(\lambda = l_0 / i = 30\,000 / 184 \approx 163\)$

Это большая гибкость, требует коэффициента \(\varphi \approx 0{,}28\) (по СП 16.13330.2017, табл. Д.1 приложения Д, с. 122-131 — по условной гибкости \(\overline{\lambda} = \lambda\sqrt{R_y/E}\) для типа сечения «b» трубчатого профиля).

Условие устойчивости: $\(\frac{N_{расч}}{\varphi \cdot A \cdot R_y \cdot \gamma_c} = \frac{650 \cdot 10^3}{0{,}28 \cdot 16\,330 \cdot 335 \cdot 0{,}95} = \frac{650\,000}{1\,453\,000} = 0{,}45\)$

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 7.1.3, с. 19-20 (устойчивость центрально-сжатого стержня, формула (7); \(\varphi\) — табл. Д.1, с. 122-131); \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2, с. 16; геометрия кольцевого сечения — Далматов Б.И. «Механика грунтов, основания и фундаменты» (общетехническая справка). Марка стали — ГОСТ 27772. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ].

Условие выполнено с большим запасом (запас более 2 раз). Это позволяет либо уменьшить сечение трубы (например, Ø 426×10 с А ≈ 131 см²), либо увеличить шаг распорок (например, до 5-5,5 м), но проверить расчёт стенки на больший пролёт.

Принимаем для безопасности и единообразия: Ø 530×10 на всех ярусах.

V.3.6.5. Подбор сечения шпунта

Для \(M_{max} = 305\) кН·м/м и КС-3 (\(\gamma_n = 1{,}1\)), S355GP:

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 8.2.1, с. 30-31 (расчёт изгибаемого элемента по моменту сопротивления: \(M/(W_{n,min} R_y \gamma_c) \leq 1\)); \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) и коэффициент надёжности по материалу \(\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2, с. 16; коэффициент надёжности по ответственности \(\gamma_n\) для КС-3 — ГОСТ 27751-2014, п. 10.2, табл. 2, с. 12 (\(\gamma_n = 1{,}1\) для повышенного уровня ответственности КС-3); марка стали — ГОСТ 27772. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ].

По сортаменту (Приложение А, табл. А.1) — ближайший разрешённый: ** 616 (W = 1 605 см³/м, запас 1,49). Для надёжности и резерва на корректировку — принимаем ** 622Т (W = 2 206 см³/м — Приложение А, табл. А.1).

V.3.6.6. Длина шпунта

Расчётная глубина заделки в песке слоя 3 (метод защемлённого нижнего конца, аналогично главе V.4):

С запасом по СП 381 (Δ ≈ 25%): $\(t_{факт} = 5{,}6 \text{ м}\)$

Полная длина шпунта: \(L = 12{,}0 + 5{,}6 = 17{,}6\) м. Принимаем 18 м (стандартная длина по запросу).

Источник: СП 381.1325800, п. 6.4.8-6.4.9, с. 39 (определение минимально допустимой глубины заделки гибкой подпорной стены методом упругой балки, защемлённой в грунте; методика — приложение И); теория активного/пассивного давления — Цытович Н.А. «Механика грунтов»; Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов». Величина конструктивного запаса \(\Delta \approx 25\%\) — практика, [В: численное значение в первоисточнике явно не приведено]. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ].

V.3.6.7. Деформации (метод конечных элементов (МКЭ), см. главу V.6)

Расчёт в PLAXIS с моделью Hardening Soil даёт деформации:

Допустимое смещение для категории состояния зданий II (рядом 6-8 м): $\(\delta_{доп} = 0{,}001 \cdot H = 0{,}001 \cdot 12\,000 = 12 \text{ мм}\)$

Источник: СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»: зона влияния — п. 9.35-9.36, с. 174-175; расчёт по доп. деформациям зданий окружающей застройки — п. 9.37, с. 175-176 (условие \(s_{ad} \leq s_{ad,u}\)); категории технического состояния — приложение Д, табл. Д.1, с. 211-214; предельные доп. деформации — приложение К, табл. К.1, с. 218-224; СП 248.1325800, п. 8.7.7, с. 38-39 (деформации с учётом последовательности нагружения). Коэффициент \(0{,}001\) (допустимое горизонтальное смещение стенки \(\delta_{доп} = 0{,}001 H\)) — практика/задание, [В: численный коэффициент \(0{,}001\) как табличное смещение стенки в СП 22 не найден — табл. К.1 нормирует осадки/относительную разность, а не смещение ограждения]. Модель грунта Hardening Soil — справочно зарубежная, привязка к практике РФ через параметры по ГОСТ 25100 / инженерно-геологическим изысканиям (ИГИ) и инженерное обоснование. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ].

Смещение 22 мм > 12 мм — превышение. Меры: 1. Предварительное натяжение распорок на 200-300 кН каждая → снижение деформации до 15-17 мм. 2. Переход на более жёсткий шпунт ( 622Т, 626) → дополнительное снижение до 13-14 мм. 3. Уменьшение шага распорок до 3 м (вместо 4 м) → реакция на стенку 75% от исходной → снижение до 12 мм.

Принимаемое решение: комбинация — предварительное натяжение распорок 250 кН + переход на 622Т + шаг распорок 3,5 м. Финальная деформация по МКЭ: 11 мм, в пределах допустимого.

V.3.6.8. Итог

V.3.7. [!] Особенности применения распорной схемы

1. Стадии откопки до установки очередного яруса распорок — критические. Контроль качества откопки на этих стадиях обязателен (граничные значения отметки до начала установки распорок). Превышение глубины откопки на 0,5-1 м до установки распорки даёт значительное увеличение момента в шпунте.

2. Температурные удлинения распорок обязательно учитывать при L > 15 м и ΔT > 15°C. Защита распорок от прямого солнца, использование шарнирных компенсаторов на одном конце, мониторинг тензометров.

3. Распорки мешают производству работ внутри котлована. Это ограничивает применимость распорной схемы для глубоких котлованов с большим объёмом монолитных работ. Альтернатива — каркасы из железобетона, выполняющие функцию распорок (например, плита перекрытия первого подземного этажа).

4. Предварительное натяжение распорок — мощный инструмент управления деформациями. Натяжение даёт реальное снижение деформаций стенки на 30-50% при правильной величине. Опасности: натяжение свыше расчётного → разрушение анкеровки в шпунте или распорки.

5. Концевые упоры распорок — частая точка разрушения. Распорка опирается на обвязочный пояс через стальную фасонку (см. узел У-03). Качество сварных швов и плотность контакта — обязательный контроль.

6. Извлечение распорок при обратной засыпке — отдельная инженерная задача. После окончания строительства подземной части распорки демонтируются по этапам, начиная с верхнего яруса. На каждом этапе — проверка нагрузки на оставшихся опорах (стенка должна работать на новой расчётной схеме).

7. Многоярусные распорные системы дают значительную осадку грунта за стенкой. Это связано с длительностью этапа откопки (для глубокого котлована — 6-12 месяцев) и накоплением деформаций. Тщательный мониторинг и поэтапное согласование с экспертизой и собственниками соседних объектов — обязательны.

8. Большие котлованы (b > 30 м между стенками) — отдельная сложность. Прямая распорка имеет большую гибкость (λ > 150 даже для крупной трубы), что снижает её устойчивость. Решения: промежуточные стойки в центре котлована (опираются на свайные фундаменты или анкера); диагональная схема; железобетонные пояса.

9. Распорная схема — статически неопределимая система (особенно многоярусная). Это означает, что разрушение одной распорки не означает катастрофу — нагрузка перераспределяется на соседние. Это повышает фактическую надёжность распорной схемы по сравнению с анкерной.

10. Сейсмические воздействия для распорной схемы требуют отдельной проверки распорок на инерционные нагрузки от грунтового массива при колебаниях. В сейсмических районах часто применяется избыточно резервированная распорная система (на 1-2 яруса больше, чем по статическому расчёту).

V.3.8. [Э] Замечания экспертизы по распорной схеме

Замечание 1. «Не приведён расчёт по стадиям откопки.»

Что делать: обязательная таблица расчётов по характерным стадиям (см. V.3.6.3) с эпюрами на каждой стадии и финальной сводкой максимальных усилий.

Замечание 2. «Не учтены температурные воздействия на распорки.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Учёт температурных воздействий» с расчётом ΔL и ΔN для условий объекта (сезонный перепад температуры, длина распорки), либо обоснование, почему учёт не требуется (короткая распорка, теневое расположение, шарнирные компенсаторы).

Замечание 3. «Не приведена проверка устойчивости распорки на продольный изгиб.»

Что делать: в составе расчёта — проверка по СП 16.13330 с гибкостью λ, коэффициентом φ, условием устойчивости.

Замечание 4. «Не приведена проверка опорного узла распорки.»

Что делать: расчёт узла крепления распорки к обвязочному поясу (передача N от распорки на пояс, проверка сварных швов / болтовых соединений, проверка местной устойчивости стенки шпунта в зоне передачи усилия).

Замечание 5. «Не предусмотрено предварительное натяжение распорок.»

Что делать: для категории ответственности КС-3 (или при наличии застройки категории II и хуже) предварительное натяжение распорок обязательно с указанием величины (обычно 30-50% от расчётного усилия) и регламента контроля тензометром.

Замечание 6. «Не указан регламент демонтажа распорок при обратной засыпке.»

Что делать: в составе ППР — отдельный раздел «Демонтаж распорной системы» с поэтапной схемой, расчётом нагрузок на каждом этапе, контролем мониторинга.

Замечание 7. «Не учтено влияние работ внутри котлована на распорки.»

Что делать: в пояснительной записке указать допустимость складирования материалов и работы крана в зоне распорок; ограничения по нагрузке на распорки от строительной техники.

V.3.9. [?] Дискуссионные вопросы

1. Граничная глубина для одноярусной vs двухъярусной схемы. В различных школах H_гран = 7-9 м. На решение проектировщика с учётом окружающей застройки и грунтов.

2. Применимость подкосов (наклонных распорок) рядом с существующими фундаментами. Подкос передаёт значительную вертикальную нагрузку в дно котлована, что может вызвать осадки соседних фундаментов через грунтовой массив. Это часто становится причиной перехода обратно на горизонтальные распорки или анкеры.

3. Учёт пластической работы распорок при предельных воздействиях. Это нормативно допустимо для стальных конструкций (метод предельного состояния), но в практике редко применяется для шпунтовых ограждений из соображений запаса.

4. Допустимая величина предварительного натяжения распорок. Обычно 30-50% от расчётного. Большее натяжение → перенапряжение стенки в обратную сторону → деформации в неблагоприятную сторону.

Если проектируете распорное ограждение: - глубже 12 м (требует поверочного МКЭ и согласования по стадиям); - в условиях плотной застройки (категория состояния зданий II и хуже); - с подкосами или комбинированной схемой; - с длинными пролётами распорок (свыше 25 м); - в зимний период или в южных регионах (температурные воздействия);

— проектировщик проводит бесплатную консультацию по выбору схемы, рекомендации профиля шпунта и сечения распорок.

V.3.11. Литература к главе

1. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
2. СП 248.1325800. Сооружения подземные. Правила проектирования.
3. СП 45.13330. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
4. СП 16.13330. Стальные конструкции.
5. СП 20.13330. Нагрузки и воздействия.
6. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
7. Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции. — СПб.
8. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. — М.: АСВ.
9. Тер-Мартиросян З.Г. Реконструкция и усиление оснований и фундаментов. — М.
10. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника.

Зарубежные (справочно): 11. EAB 2021 (DGGT). Empfehlungen Arbeitskreis Baugruben. — Berlin: Ernst & Sohn. 12. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. 13. USACE EM 1110-2-2504. Design of Sheet Pile Walls. 14. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 381.1325800, СП 248.1325800, СП 45.13330, СП 16.13330, СП 20.13330, СП 22.13330, ГОСТ 10704, ГОСТ 26020

V.4. Анкерные ограждения

Выбранная анкерная расчётная схема (свободный/защемлённый конец), расчётная глубина заделки t, усилие в анкере Ta, диапазон требуемого W (профиль из линейки шпунтовых профилей по Приложению А), параметры грунтового анкера (ls, lк, dк), пров…

Результат главы. Выбранная анкерная расчётная схема (свободный/защемлённый конец), расчётная глубина заделки t, усилие в анкере T_a, диапазон требуемого W (профиль из линейки шпунтовых профилей по Приложению А), параметры грунтового анкера (l_s, l_к, d_к), проверка по Кранцу, перечень входных данных из инженерно-геологических изысканий (ИГИ) и контрольный набор файлов для раздела КР/проекта организации строительства (ПОС).

V.4.1. Задача

Требуется удержать вертикальную стенку котлована глубиной от 5-6 до 12-15 м в грунтах, в которых консольная схема не обеспечивает либо требуемую глубину заделки в разумных пределах (обычно t ≥ (1,5…2,0)·H для песков становится непрактично длинной), либо требуемые деформации по второй группе предельных состояний.

Стандартное проектное решение — анкерное ограждение: гибкая стенка из шпунта, удерживаемая в верхней или средней зоне одним (одноярусное) или несколькими (многоярусное) рядами грунтовых анкеров, опирающаяся в нижней части на пассивный отпор грунта.

Эта глава охватывает одноярусные анкерные ограждения. Многоярусные системы (3 и более ярусов анкеров) рассматриваются в разделе V.3 совместно с распорными системами, поскольку требуют расчёта стадийности откопки.

[!] Нормативные указания СП 381 по анкерам. (1) Число ярусов крепления — минимально возможное (см. V.3); анкеры, как правило, дороже распорок, но дают свободу работы в котловане. (2) Для постоянных грунтовых анкеров СП 381 предъявляет дополнительные требования к антикоррозионной защите (см. Часть VIII) и указывает, что они преимущественно применяются в грунтах, не обладающих реологическими свойствами (скальные, полускальные) (СП 381.1325800.2018, п. 7.3.3, с. 47); корень анкера не следует размещать в слабых грунтах (илы, торфы, глины текучей консистенции) и в насыпных грунтах (п. 7.3.2, с. 47). В нескальных грунтах постоянные анкеры требуют особого обоснования долговечности корня и геотехнического мониторинга на весь период эксплуатации (п. 7.3.3, с. 47). Антикоррозионная защита постоянных анкеров — по п. 7.3.7, с. 49. [Э: сверено с СП 381.1325800.2018, пп. 7.3.2, 7.3.3, 7.3.7.]

V.4.2. Нормативная база главы

Основные: - СП 381.1325800 «Сооружения подпорные. Правила проектирования» — раздел 7.3 «Грунтовые анкеры» (с. 47-52): применение анкеров (п. 7.3.2, с. 47; п. 7.3.3, с. 47), предельные состояния (п. 7.3.9, с. 49), расчётная нагрузка и проверка по выдергиванию (п. 7.3.20, формулы 7.1, 7.2, с. 51-52), прочность тяги (п. 7.3.21, формула 7.3, с. 52), коэффициенты надёжности γ_a, γ_a,t (табл. 7.1, с. 51-52 — γ_a = 1,50 временные / 1,75 постоянные и длительные / 1,05 особое сочетание); методика расчёта предельного сопротивления грунтового анкера — Приложение Л (формула Л.1, с. 105-107); методы определения давления грунта — Приложение Е (с. 94-99). [Э: сверено с СП 381.1325800.2018, пп. 7.3.2, 7.3.3, 7.3.9, 7.3.20, 7.3.21, табл. 7.1, Приложения Е и Л.] - СП 45.13330 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — общие требования к ограждениям котлованов. - СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений» — расчёт деформаций ограждения и оценка влияния на окружающую застройку. - СП 24.13330 «Свайные фундаменты» — в части расчёта грунтовых анкеров инъекционного типа как заглублённых элементов с трением по боковой поверхности. - СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» — пригрузки на бровке котлована. - СП 16.13330 «Стальные конструкции» — проверка прочности шпунтовой стенки и анкерных тяг.

Сопутствующие: - ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация» - ГОСТ Р 58034 «Сваи шпунтовые. Технические условия»

Пособия и монографии (российская школа): - Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб., 2014. - Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа. - Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ. - Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков. - Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ. - Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции. — СПб.

Зарубежные справочные источники (только справочно): - EN 1997-1 Eurocode 7: Geotechnical design. - EN 1993-5 Eurocode 3: Design of steel structures, Part 5 — Piling. - EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. - Зарубежные отраслевые справочники по шпунтовым ограждениям (справочно).

V.4.3. Расчётные схемы

Для одноярусного анкерного ограждения применяются две расчётные схемы:

Схема А — метод свободного нижнего конца (Free Earth Support)

Принимается, что низ шпунтовой стенки может свободно поворачиваться в грунте основания. В нижнем сечении стенка не воспринимает изгибающего момента. Усилие в анкере и глубина заделки определяются из условий равновесия моментов и сил.

Применяется при: - умеренной глубине котлована (H ≤ 8…10 м); - однородных грунтах основания шпунта; - допустимых деформациях в нижней части стенки; - предварительных расчётах и подборе профиля.

Деформации в верхней части стенки при этой схеме обычно консервативны, поэтому метод считается «в запас» по моменту в шпунте, но не консервативным по деформациям в верхней части (анкер и оголовок).

Схема Б — метод защемлённого нижнего конца (Fixed Earth Support, метод Блюма–Ломейера)

Принимается, что низ стенки защемлён в грунте и не может свободно поворачиваться. В сечении на глубине заделки возникает изгибающий момент противоположного знака («второй момент»). Расчётная глубина заделки определяется по условию равенства угла поворота нулю в точке защемления (либо по эквивалентной балке на двух опорах в графоаналитической интерпретации).

Применяется при: - значительной глубине котлована (H > 8…10 м); - необходимости снижения деформаций верхней части стенки; - ответственных объектах рядом с существующей застройкой; - одноярусной схеме с одним рядом анкеров.

Метод Блюма–Ломейера даёт меньший расчётный момент в шпунте (примерно на 15-30%) и меньшее усилие в анкере (примерно на 10-20%) по сравнению со схемой А — но за счёт большей глубины заделки (обычно t увеличивается на 20-40%).

Выбор схемы

[?] Открытый вопрос: в практике российских школ существует разногласие — допустимо ли при ответственном объекте ограничиться классической схемой Блюма–Ломейера без поверочного расчёта в МКЭ. Академическая школа (МИСИ — МГСУ) традиционно требует поверочный МКЭ при H > 8 м в городской застройке. Подход реконструкции в плотной городской застройке — при любой глубине, если рядом находится здание категории состояния выше нормальной. Петербургская школа геотехники допускает классику для типовых объектов на хорошо изученных грунтах.

V.4.4. Метод свободного нижнего конца (Схема А)

V.4.4.1. Расчётная схема и допущения

Шпунтовая стенка моделируется как балка с двумя опорами: - верхняя опора — точка приложения усилия анкера на глубине a от поверхности грунта; - нижняя опора — равнодействующая пассивного отпора грунта в зоне заделки.

Допущения: - грунт за стенкой находится в активном предельном состоянии; - грунт перед стенкой (в зоне заделки) находится в пассивном предельном состоянии; - эпюры активного и пассивного давлений принимаются по теории Кулона либо по методике СП 381; - влияние гидростатического давления учитывается отдельной эпюрой; - сцепление между шпунтом и грунтом не учитывается в запас.

V.4.4.2. Эпюры давлений

Активное давление грунта на глубине z от поверхности грунта за стенкой:

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.22, формула (9.5), с. 166 — эффективное активное давление \(\sigma'_{h,a}(z) = K_a(\gamma z + q) - 2c\sqrt{K_a}\) (на эту методику ссылается СП 381.1325800.2018, п. 6.2.16, с. 30 и Приложение Е, с. 94-99); теория активного давления Кулона/Ренкина в изложении российской школы — Цытович Н.А. «Механика грунтов» (§ 4.5, формула 4.22, с. 154-155); Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов».

где - \(\gamma'\) — удельный вес грунта (выше уровня подземных вод (УПВ) — естественный, ниже УПВ — с учётом взвешивания), кН/м³; - \(z\) — глубина от поверхности грунта за стенкой, м; - \(K_a\) — коэффициент активного давления; - \(c\) — удельное сцепление грунта, кПа; - \(q\) — равномерно распределённая пригрузка на поверхности грунта за стенкой, кПа.

Коэффициент активного давления по Ренкину (вертикальная задняя грань, горизонтальная поверхность грунта за стенкой):

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.22, формула (9.8), с. 166 — \(K_a = \mathrm{tg}^2(45° - \varphi/2)\) для горизонтальной поверхности грунта и вертикальной гладкой грани; формула Ренкина в изложении российской школы — Цытович Н.А. «Механика грунтов»; Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов».

Для случая наклонной задней грани и/или откоса грунта применяется формула Кулона — СП 22.13330.2016, п. 9.22, формула (9.7), с. 166 (общий вид \(K_a\) через углы \(\varphi\), \(\beta\), \(\theta\), \(\delta\)). [Э: сверено с СП 22.13330.2016, п. 9.22.]

Пассивное давление (отпор) грунта на глубине z' от дна котлована перед стенкой:

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.23, формула (9.9), с. 167 — эффективное пассивное давление \(\sigma'_{h,p}(z) = K_p(\gamma z + q) + 2c\sqrt{K_p}\); теория пассивного отпора Кулона/Ренкина в изложении российской школы — Цытович Н.А. «Механика грунтов» (§ 4.5, с. 148-160); Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов».

где - \(K_p\) — коэффициент пассивного давления; - \(\gamma'_p\), \(c_p\), \(\varphi_p\) — характеристики грунта в зоне заделки.

Коэффициент пассивного давления по Ренкину:

Источник: СП 22.13330.2016, п. 9.23, формула (9.12), с. 167 — \(K_p = \mathrm{tg}^2(45° + \varphi/2)\) для горизонтальной поверхности грунта и вертикальной гладкой грани (для наклонной грани/откоса — формула 9.11, с. 167, причём при \(\varphi > 20°\) принимается \(\delta = 0\)); формула Ренкина в изложении российской школы — Цытович Н.А. «Механика грунтов»; Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов».

[!] Особенность: при наличии перепада УПВ внутри и снаружи котлована и/или сложного слоистого разреза прямое применение формул Ренкина — Кулона может привести к существенным ошибкам. Эпюра строится послойно с учётом приведённых характеристик по СП 381. При большой разности УПВ обязателен учёт фильтрационного давления (см. V.4.7).

V.4.4.3. Уравнения равновесия

Запись уравнений равновесия выполняется относительно точки приложения анкера (точка O на глубине a от поверхности грунта за стенкой). Это позволяет сразу исключить усилие в анкере из уравнения и определить требуемую глубину заделки t.

Уравнение моментов относительно точки O:

Источник (метод свободного нижнего конца, уравнения равновесия): Будин А.Я. «Городские и портовые набережные»; Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки»; Гордеев П.Н., Гордеев М.П. «Расчёт и конструирование одноанкерных больверков» [В: не подтверждено — монографии Будина/Гордеева в первоисточники не включены]. Эпюры активного и пассивного давления для уравнений равновесия строятся по СП 22.13330.2016, пп. 9.22-9.23, с. 166-167 и СП 381.1325800.2018, Приложение Е, с. 94-99.

где - \(M_a\) — суммарный момент от активного давления, кН·м/м; - \(M_p\) — суммарный момент от пассивного отпора, кН·м/м.

После определения t из условия ΣM_O = 0 находится усилие в анкере из уравнения равновесия горизонтальных сил:

где - \(T_a\) — горизонтальное усилие в анкере на 1 пог. м стенки, кН/м; - \(E_a\) — равнодействующая активного давления на участке от поверхности до глубины (H + t), кН/м; - \(E_p\) — равнодействующая пассивного отпора в зоне заделки, кН/м.

V.4.4.4. Алгоритм расчёта (Схема А)

Шаг 1. Принимается предварительная глубина заделки t₀ ≈ (0,4…0,8)·H в зависимости от грунта.

Шаг 2. Строится эпюра активного давления от поверхности до глубины H + t₀.

Шаг 3. Строится эпюра пассивного отпора от уровня дна котлована до глубины t₀.

Шаг 4. Подсчитываются равнодействующие \(E_a\), \(E_p\) и их плечи относительно точки O.

Шаг 5. Проверяется уравнение моментов ΣM_O. Если оно не выполняется — глубина заделки корректируется итерационно (увеличивается, если M_p < M_a, или уменьшается в противном случае).

Шаг 6. Определяется расчётная глубина заделки \(t\). К ней добавляется запас по СП 381: \(t_{расч} = t \cdot (1 + Δ)\), где \(Δ\) принимается по требованиям СП. Метод свободного нижнего конца соответствует расчётной схеме п. 6.4.9 СП 381.1325800.2018, с. 39 (упругая балка, защемлённая в грунте, с поворотом вокруг точки O, рис. 6.8 а; методика — Приложение И.1); величина заделки гибких стен с одним ярусом крепления определяется по методу Якоби — он даёт минимально допустимое заглубление гибкой стены (п. 6.4.10, с. 39; расчётная схема рис. 6.8 б — п. 6.4.11, с. 39; методика — Приложение И.2). [В: конкретное численное значение запаса Δ задаётся методикой Приложения И.2 СП 381 — текст приложения в первоисточники не включён; не подтверждено.]

Шаг 7. Определяется усилие в анкере \(T_a\).

Шаг 8. Определяется максимальный изгибающий момент в шпунтовой стенке \(M_{max}\) (в сечении, где поперечная сила равна нулю).

Шаг 9. Подбирается профиль шпунта по условию:

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 8.2.1, формула (41), с. 30-31 — расчёт на прочность изгибаемых элементов 1-го класса \(M/(W_{n,min} R_y \gamma_c) \le 1\); расчётное сопротивление стали \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2, с. 16; марки стали и \(R_{yn}\) — ГОСТ 27772.

где - \(W\) — момент сопротивления сечения шпунта, см³/м (с учётом коррозионного износа); - \(R_y\) — расчётное сопротивление стали по СП 16.13330; - \(\gamma_c\) — коэффициент условий работы.

Шаг 10. Проверка деформаций (см. V.4.6).

V.4.5. Метод защемлённого нижнего конца (Схема Б, метод Блюма–Ломейера)

V.4.5.1. Принципиальная идея

В отличие от Схемы А, низ стенки считается жёстко защемлённым в грунте. Это означает, что в сечении на глубине заделки возникает изгибающий момент M_2 (момент «защемления»), компенсирующий поворот сечения.

Расчётная схема — балка с одной шарнирной опорой (анкер на глубине a) и одной защемлённой (низ шпунта на глубине H + t). Защемление обеспечивается пассивным отпором грунта, эпюра которого имеет характерную трапецеидально-треугольную форму с «отрицательным отпором» в нижней части.

V.4.5.2. Графоаналитический алгоритм Блюма–Ломейера

Метод реализуется графоаналитически в несколько шагов (классический алгоритм, излагаемый в монографиях Будина, Гордеева, Цытовича; в нормативной базе РФ закреплён как аналитический метод эквивалентных балок на основе схемы Блюма—Ломейера — СП 381.1325800.2018, п. 6.4.10 и п. 6.4.12, с. 39, расчётная схема рис. 6.8в, методика по Приложению И.3; метод даёт более низкие изгибающие моменты при большем заглублении, чем метод Якоби):

Шаг 1. Строится эпюра нагрузки на стенку: активное давление за стенкой минус пассивный отпор перед стенкой на участке 0…H+t.

Шаг 2. Вычисляются поперечные силы Q(z) интегрированием эпюры нагрузки по глубине.

Шаг 3. Находится точка \(z_0\), где Q(z_0) = 0 (точка нулевой поперечной силы). В этой точке изгибающий момент достигает максимума.

Шаг 4. Вычисляются моменты M(z) интегрированием эпюры Q(z).

Шаг 5. Условие защемления нижнего конца записывается как условие нулевого угла поворота сечения в точке защемления. В графоаналитической интерпретации это эквивалентно условию равенства площадей эпюры M(z) выше и ниже точки \(z_0\) (с учётом знаков), что приводит к нелинейному уравнению относительно t.

Шаг 6. Уравнение решается итерационно. Современная практика — численно в Excel/MathCAD/SCAD/ЛИРА.

Шаг 7. К полученной расчётной глубине заделки добавляется конструктивный запас (Δt ≈ 20% от t) по соображениям технологичности (фактическая длина шпунта округляется до стандартной).

[!] Особенность: метод Блюма–Ломейера в чистом виде применим к однородному грунту в зоне заделки. При слоистом разрезе с резкой сменой характеристик в зоне заделки графоаналитический метод даёт существенную погрешность, и расчёт следует дублировать численным методом (V.6).

V.4.5.3. Сравнение со Схемой А (численный ориентир)

Для типового случая (котлован H = 10 м в средних песках, одноярусный анкер на глубине 2 м, без УПВ):

Цифры приведены для качественной иллюстрации различия методов, не для прямого применения. Реальные значения зависят от грунтов, нагрузок, геометрии. [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Источник (метод защемлённого нижнего конца, графоаналитический алгоритм Блюма–Ломейера): СП 381.1325800.2018, п. 6.4.10 и п. 6.4.12, с. 39 (метод эквивалентных балок по схеме Блюма—Ломейера, рис. 6.8в, методика — Приложение И.3); [Э: ссылка исправлена — было «СП 248.13330 “Сооружения подземные”», корректный документ для метода Блюма—Ломейера — СП 381.1325800.2018, раздел 6.4]. Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки»; Будин А.Я. «Городские и портовые набережные»; Гордеев П.Н., Гордеев М.П. «Расчёт и конструирование одноанкерных больверков»; Снитко Н.К. «Статика сооружений» [В: не подтверждено — этих монографий в первоисточниках нет].

V.4.6. Расчёт грунтовых анкеров

V.4.6.1. Состав расчёта

Расчёт грунтового анкера (инъекционного типа, как наиболее распространённого в практике РФ) включает:

1. Определение расчётной несущей способности анкера по грунту (трение по боковой поверхности корня).
2. Определение прочности стального тела анкера (тяги).
3. Определение длины свободной части анкера.
4. Определение длины корня (заделки) анкера.
5. Расчёт оголовка и узла крепления к шпунту.
6. Проверка глубинной устойчивости анкерной системы (метод Кранца).
7. Программа испытаний анкеров.

V.4.6.2. Несущая способность по грунту

Несущая способность одиночного инъекционного анкера по трению на боковой поверхности корня:

Источник: упрощённая инженерная запись сопротивления корня анкера выдергиванию по трению на боковой поверхности. Нормативные аналоги: СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты», п. 7.2.7, формула (7.11), с. 22 — несущая способность на выдёргивание \(F_{du} = \gamma_c u \sum \gamma_{R,f} f_i h_i\) (где \(u = \pi d_k\) — периметр корня, \(h = l_k\)); СП 381.1325800.2018, Приложение Л, формула (Л.1), с. 105-107 — предельное сопротивление инъекционного анкера выдергиванию \(R_{a,k} = \pi D_к l_к (1 + \sin\varphi_I)(\sigma'_{0д}\,\mathrm{tg}\,\varphi_I + c_I)K_p \gamma_c\) (полная форма СП-381 учитывает \(\sin\varphi\), эффективное напряжение \(\sigma'_{0д}\), \(K_p\) — приведённое \(f_d\) в инженерной записи укрупняет эти множители; в Л.1 \(\gamma_c = 0,72\) для песчаных и \(0,64\) для пылевато-глинистых грунтов). [Э: сверено с СП 24.13330.2021 п. 7.2.7 (форм. 7.11) и СП 381.1325800.2018 Приложение Л (форм. Л.1).] Перлей Е.М. «Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции» [В: не подтверждено].

где - \(F_d\) — расчётная несущая способность анкера, кН; - \(d_k\) — расчётный диаметр корня анкера, м (определяется по технологии — обычно 0,15-0,30 м для инъекционных анкеров; уточняется по результатам контрольных испытаний); - \(l_k\) — длина корня анкера, м; - \(f_d\) — расчётное удельное сопротивление трения на боковой поверхности корня, кПа.

Значение \(f_d\) (через параметры \(\varphi_I\), \(c_I\), \(\sigma'_{0d}\), \(K_p\) формулы Л.1) принимается по СП 381 / СП 24 / СП 116 в зависимости от типа грунта и технологии анкера; окончательное значение \(R_{a,k}\) устанавливается по результатам статических испытаний пробных анкеров (СП 381.1325800.2018, п. 7.3.19, с. 51 и Приложение Л, п. Л.1, с. 105-107; для свайной аналогии — удельное сопротивление по боковой поверхности \(f_i\) по СП 24.13330.2021, табл. 7.3 в составе формулы (7.9), с. 18-22). [Э: сверено с СП 381.1325800.2018 п. 7.3.19 и Приложением Л; СП 24.13330.2021 табл. 7.3.] [В: самостоятельной «таблицы значений \(f_d\)» в СП 381 нет — значение вычисляется по формуле Л.1 либо принимается по СП 24.13330, табл. 7.3; не нормировано как единая табличная величина.]

[!] Особенность: расчётное удельное сопротивление \(f_d\) имеет существенный технологический разброс и зависит от метода инъекции (одноразовая, повторная под давлением, с предварительным гидроразрывом). Окончательное значение принимается по результатам контрольных и приёмочных испытаний на площадке. Расчётные значения по нормам — для проектирования. Все объекты с категорией ответственности выше нормальной требуют программы испытаний с не менее чем тремя контрольными анкерами до начала массовых работ.

V.4.6.3. Прочность тела анкера (тяги)

Прочность стальной тяги определяется по СП 16.13330:

Источник: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», п. 7.1.1, формула (5), с. 18 — расчёт на прочность при центральном растяжении \(N/(A_n R_y \gamma_c) \le 1\); площадь сечения нетто \(A_n\) — п. 7.2.1, с. 21. Минимально требуемая прочность тяги анкера и коэффициенты надёжности — СП 381.1325800.2018, п. 7.3.21, формула (7.3), с. 52 (\(R_d \ge R_{t,d}/\gamma_{a,t}\), \(\gamma_{a,t}\) по табл. 7.1) и СП 248.1325800, п. 12.16, формула (12.3), с. 68-69 (\(R_{a,d} \le R_{t,d}/\gamma_{a,t}\), при испытаниях на растяжение допускается \(\gamma_{a,t} = 1,05\)). [Э: сверено с СП 16.13330.2017 п. 7.1.1; СП 381.1325800.2018 п. 7.3.21; СП 248.1325800 п. 12.16.] Для арматурных тяг расчётное сопротивление \(R_y\) принимается по СП на железобетонные конструкции [В: СП 63.13330 в первоисточники не включён — не подтверждено].

где - \(N_d\) — расчётное усилие тяги, кН; - \(A_n\) — площадь сечения нетто (с учётом ослабления резьбой/анкеровкой), см²; - \(R_y\) — расчётное сопротивление стали тяги.

Обычно для инъекционных анкеров применяются арматурные стержни марки А500С или А800С, либо предварительно напряжённые пряди (для анкеров с предварительным натяжением).

Условие подбора: T_a ≤ N_d / γ_n, где γ_n — коэффициент надёжности по назначению.

V.4.6.4. Длина свободной части

Длина свободной части анкера l_s (части от оголовка до начала корня) принимается из условия, что корень анкера должен располагаться за линией скольжения активного клина грунта, иначе анкер «висит» в призме обрушения и не работает по назначению.

Минимальная длина свободной части:

Источник: условие выноса корня за линию скольжения (границу призмы активного давления) — СП 381.1325800.2018, п. 7.3.14, перечисление «а», с. 50 (корень устраивают на таком расстоянии от анкеруемой конструкции, при котором исключается снижение её устойчивости от воздействия анкера); корень должен выходить за пределы призмы активного давления не менее чем на 1 м — п. 7.3.14, перечисление «и», с. 50 (см. рисунок 7.11); корень — на глубине не менее 4 м от поверхности грунта (п. 7.3.14, перечисление «б», с. 50); угол наклона анкера к горизонту рекомендуется 10°—30° (п. 7.3.14, перечисление «м», с. 50). Граница призмы активного давления показана также на схеме грунтового анкера — рисунок 7.9 «Схема грунтового анкера», с. 47-49. [Э: сверено с СП 381.1325800.2018, п. 7.3.14, перечисления «а», «б», «и», «м».] Будин А.Я. «Городские и портовые набережные»; Гордеев П.Н., Гордеев М.П. «Расчёт и конструирование одноанкерных больверков» [В: не подтверждено — монографии в первоисточники не включены].

где Δ — конструктивный запас. Корень выносится за границу призмы активного давления не менее чем на 1 м — СП 381.1325800.2018, п. 7.3.14, перечисление «и», с. 50 (см. рисунок 7.11). [Э: исправлено — числовая величина минимального отступа за призму нормирована СП 381 (≥ 1 м), а не «определяется расчётом»; сверено с СП 381.1325800.2018, п. 7.3.14 «и».]

V.4.6.5. Общая длина анкера

Общая длина анкера:

Эта длина определяет габарит зоны влияния шпунтового ограждения и накладывает ограничения на размещение существующих коммуникаций, фундаментов соседних зданий и пр.

[!] Особенность городской застройки: в плотной застройке зона размещения анкеров может частично или полностью перекрываться с фундаментами соседних зданий и подземными коммуникациями. Это типовая причина перехода на распорные системы (V.3) или комбинированные схемы. Согласование с владельцами соседних участков и коммуникаций — обязательно до проектирования.

V.4.7. Проверка глубинной устойчивости (метод Кранца)

V.4.7.1. Идея метода

Анкерная система может потерять устойчивость не по разрушению анкера и не по выпору грунта перед шпунтом, а по глубинной линии скольжения, проходящей через основание шпунта и точку анкеровки (корень анкера). Грунтовый массив, ограниченный этой линией скольжения, шпунтовой стенкой и поверхностью грунта, может «соскользнуть» вместе со шпунтом и анкером как единое целое.

Метод Кранца — графоаналитический метод проверки устойчивости такого массива, основанный на анализе равновесия призмы скольжения.

V.4.7.2. Алгоритм

Шаг 1. Принимается линия скольжения, проходящая через нижнюю точку шпунта (на глубине H + t) и заднюю точку корня анкера (в основании корня).

Шаг 2. На образовавшуюся призму скольжения действуют: - собственный вес призмы \(W\); - пригрузка на поверхности \(Q\); - активное давление за призмой \(E_a\); - реакция в основании шпунта (сопротивление сдвигу по линии скольжения и нормальная реакция); - усилие в анкере \(T_a\).

Шаг 3. Условие равновесия даёт допустимое усилие в анкере \(T_{доп}\), при котором коэффициент запаса устойчивости массива равен единице.

Шаг 4. Расчётное усилие в анкере должно удовлетворять:

Источник (метод Кранца, глубинная устойчивость анкерной системы): сам графоаналитический метод Кранца — Будин А.Я. «Городские и портовые набережные»; Гордеев П.Н., Гордеев М.П. «Расчёт и конструирование одноанкерных больверков» [В: не подтверждено — метод Кранца и эти монографии в первоисточники не включены]. Нормативно проверяемое предельное состояние «потеря общей устойчивости сооружения вместе с анкерами» закреплено в СП 381.1325800.2018, п. 7.3.9, с. 49 (перечень предельных состояний систем грунтовых анкеров, в т. ч. «потерю общей устойчивости сооружения вместе с анкерами») и СП 248.1325800, п. 12.2, с. 65 (аналогичный перечень). Схемы потери общей устойчивости стен с анкерным креплением — СП 248.1325800, п. 11.3.9, рисунок 11.1 «в», с. 59-61. [Э: сверено с СП 381.1325800.2018 п. 7.3.9; СП 248.1325800 пп. 12.2, 11.3.9.]

где \(\gamma_n\) — коэффициент надёжности, принимаемый по СП 381 (для ограждений котлованов нормальной ответственности — обычно 1,1-1,2). [В: численное значение \(\gamma_n\) именно для проверки глубинной устойчивости анкерной системы по методу Кранца не подтверждено — отдельного коэффициента под Кранц в СП 381/СП 248 нет. Частные коэффициенты надёжности по сопротивлению для анкеров \(\gamma_a\) (1,50 — временные; 1,75 — постоянные и длительные; 1,05 — особое сочетание) — табл. 7.1 СП 381.1325800.2018, с. 51-52 (п. 7.3.20), относятся к проверке по выдергиванию, не к Кранцу.]

V.4.7.3. Корректировка проекта при невыполнении условия

Если проверка по Кранцу не выполняется, возможны меры: 1. Увеличить длину свободной части анкера (отодвинуть корень). 2. Увеличить угол наклона анкера (в пределах рекомендованного диапазона 10°—30° к горизонту по СП 381.1325800.2018, п. 7.3.14, перечисление «м», с. 50; без специального обоснования угол наклона свыше 45° применять не рекомендуется). 3. Перейти на двухъярусную систему анкеров с меньшим усилием в каждом ярусе. 4. Перейти на распорную систему (V.3). 5. Увеличить глубину заделки шпунта.

[?] Открытый вопрос: метод Кранца для слоистых разрезов имеет ограниченную точность (априорная линия скольжения может не соответствовать реальной критической). В практике реконструкции в плотной городской застройке для ответственных объектов применяется проверка по программам устойчивости откосов (SLOPE/W, GEO5 Stability) на нескольких возможных линиях скольжения. Академическая школа (МИСИ — МГСУ) традиционно ограничивается классическим Кранцем + поверочный МКЭ.

V.4.8. Проверка деформаций (по второй группе предельных состояний)

V.4.8.1. Что проверяется

В соответствии с СП 22.13330 ограждение котлована должно обеспечивать:

1. Деформации самого ограждения в пределах, не вызывающих повреждения шпунта и анкеров.
2. Деформации окружающей застройки в пределах, не превышающих категорию состояния зданий и нормативно допустимые осадки.

Для деформаций ограждения предельные значения принимаются по СП 22, СП 381 либо по соглашению с заказчиком и экспертизой (для ответственных объектов).

Нормативный ориентир. СП 381 рекомендует принимать расчётные горизонтальные перемещения гибких подпорных сооружений при расчёте на основное сочетание нагрузок не более 1/100 от удерживаемого перепада высот и не более 10 см (СП 381.1325800.2018, п. 6.1.7, примечание, с. 15). При превышении этого значения в расчёте следует учитывать возможность образования заколов в зоне призмы активного давления и снижение прочностных характеристик грунта по плоскости сдвига (там же). Сами предельные допустимые деформации подпорного сооружения устанавливаются техническим заданием с учётом предельных дополнительных деформаций окружающей застройки и проектных зазоров (п. 6.1.7, с. 15); проверка по ним — обязательная часть расчёта по второй группе предельных состояний (п. 6.1.13, с. 24). [Э: сверено с СП 381.1325800.2018, пп. 6.1.7, 6.1.13.]

Приведённые ниже более жёсткие значения — практический ориентир проектных школ (не нормированы СП), применяемый «в запас» при близости застройки: - горизонтальная деформация верха стенки δ ≤ 0,002·H для нормальной ответственности (жёстче нормативного 1/100·H СП 381); - δ ≤ 0,001·H рядом с существующими зданиями нормальной категории состояния; - индивидуальные значения для объектов рядом с памятниками архитектуры, особо ответственными сооружениями и т. п. [В: численные пределы 0,002·H / 0,001·H — проектная практика, прямого норматива среди первоисточников нет; нормирован только верхний предел 1/100·H по СП 381, п. 6.1.7.]

Источник: СП 381.1325800.2018, п. 6.1.7, примечание, с. 15 — рекомендуемый предел горизонтальных перемещений гибких подпорных сооружений (≤ 1/100 удерживаемого перепада высот и ≤ 10 см) и порядок установления предельных деформаций; п. 6.1.13, с. 24 — состав проверок по второй группе предельных состояний. СП 22.13330.2016 — оценка влияния на окружающую застройку по геотехническому прогнозу (п. 9.33–9.34, с. 172–174; условие по дополнительной осадке окружающей застройки \(s_{ad} \le s_{ad,u}\) — п. 9.37, формула (9.19), с. 175; предельные значения \(s_{ad,u}\) — приложение К).

V.4.8.2. Методы расчёта деформаций

Источник: СП 381.1325800.2018, п. 6.4.13, с. 39–40 — во всех случаях, кроме приближённых схем 6.4.9–6.4.12, для определения внутренних усилий в гибких подпорных стенах следует использовать численные модели (контактные и сплошной среды) с учётом требований СП 22.13330; СП 22.13330.2016, п. 9.33, с. 172–174 — геотехнический прогноз перемещений ограждающей конструкции котлована аналитическими и численными методами. Модель Винклера / коэффициент постели — Цытович Н.А. «Механика грунтов», Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов»; расширенные модели грунта (Hardening Soil, Soft Soil) — справочно зарубежные, привязка к практике РФ через СП и инженерное обоснование.

Подробное изложение МКЭ — в разделе V.6.

V.4.9. Численный пример [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

V.4.9.1. Исходные данные

Объект: котлован под подземную автостоянку, центральная зона Москвы. Условный объект.

Геометрия: - глубина котлована H = 9,5 м; - ограждение — стальной шпунт ** 622Т** (по технические условия производителя), марка стали S355GP; - один ярус анкеров на глубине a = 2,5 м от поверхности; - угол наклона анкеров α = 20° к горизонту; - шаг анкеров s = 1,8 м.

Грунтовые условия (условный разрез): - слой 1 (0…3,0 м): суглинок туго-пластичный, \(\gamma = 18\) кН/м³, \(\varphi = 18°\), \(c = 15\) кПа; - слой 2 (3,0…8,0 м): песок средней крупности, \(\gamma = 19\) кН/м³, \(\varphi = 32°\), \(c = 0\) кПа; - слой 3 (8,0…15,0 м): песок плотный, \(\gamma = 20\) кН/м³, \(\varphi = 35°\), \(c = 0\) кПа.

УПВ на глубине 12 м (ниже дна котлована). Учёт фильтрации не требуется.

Нагрузки на бровке: - равномерно распределённая пригрузка от строительной техники \(q = 20\) кПа на расстоянии до 3 м от бровки.

V.4.9.2. Расчёт по методу свободного нижнего конца

Источник методики численного примера: метод свободного нижнего конца (упругая балка с поворотом вокруг точки O, минимально допустимая заделка) — СП 381.1325800.2018, п. 6.4.9, с. 39 (методика — Приложение И.1) и метод Якоби для одного яруса крепления — п. 6.4.10–6.4.11, с. 39 (методика — Приложение И.2); активное/пассивное давление — СП 22.13330.2016, пп. 9.22–9.23, с. 166–167 и СП 381.1325800.2018, Приложение Е, с. 94–99; подбор сечения — СП 16.13330.2017, п. 8.2.1, формула (41), с. 30–31. Будин А.Я. «Городские и портовые набережные» [В: не подтверждено]; Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов». Все числовые значения — [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ], не для прямого применения.

Активное давление за стенкой

В слое 1 (0…3,0 м): $\(K_{a1} = \tan^2(45° - 18°/2) = 0,528\)$

На глубине z = 3,0 м (низ слоя 1): $\(p_{a1}(3,0) = 18 \cdot 3,0 \cdot 0,528 - 2 \cdot 15 \cdot \sqrt{0,528} + 20 \cdot 0,528 \approx 28,5 - 21,8 + 10,6 \approx 17,3 \text{ кПа}\)$

В слое 2 (3,0…8,0 м), \(K_{a2} = \tan^2(45° - 32°/2) = 0,307\). Активное давление на верхе слоя: $\(p_{a2}(3,0) = (18 \cdot 3,0 + 20) \cdot 0,307 \approx 22,7 \text{ кПа}\)$

На низе слоя 2 (z = 8,0 м): $\(p_{a2}(8,0) = (18 \cdot 3,0 + 19 \cdot 5,0 + 20) \cdot 0,307 \approx 51,9 \text{ кПа}\)$

В слое 3 (ниже дна котлована z > H = 9,5 м), \(K_{a3} = \tan^2(45° - 35°/2) = 0,271\). Активное давление на уровне дна котлована: $\(p_{a3}(9,5) = (18 \cdot 3 + 19 \cdot 5 + 20 \cdot 1,5 + 20) \cdot 0,271 \approx 53,9 \text{ кПа}\)$

Пассивный отпор перед стенкой (с z' = 0 от дна котлована):

В слое 3, \(K_{p3} = 1/K_{a3} = 3,69\). Удельное пассивное давление на глубине \(z'\) от дна: $\(p_p(z') = 20 \cdot z' \cdot 3,69 = 73,8 \cdot z' \text{ кПа}\)$

(сцепление \(c = 0\)).

Подбор глубины заделки

Итерационный расчёт (выполнен численно в Excel) даёт расчётную глубину заделки:

С запасом по СП 381 (Δ ≈ 20%) фактическая глубина:

Полная длина шпунта: \(L = H + t_{факт} = 9,5 + 5,8 = 15,3\) м. Принимается стандартная длина \(L = 16\) м.

Усилие в анкере (на 1 пог. м стенки):

С учётом шага анкеров \(s = 1,8\) м и угла наклона \(α = 20°\), расчётное усилие в одной тяге анкера:

Максимальный момент в шпунте:

Подбор профиля:

Требуемый момент сопротивления: $\(W_{треб} = \frac{M_{max}}{R_y \cdot \gamma_c} = \frac{235 \cdot 10^3}{335 \cdot 0,95} \approx 740 \text{ см}^3/\text{м}\)$

(значения \(R_y\) и \(\gamma_c\) — условные ориентиры; расчётное сопротивление стали определяется как \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — СП 16.13330.2017, п. 6.1, табл. 2, с. 16 (по пределу текучести), при \(\gamma_m\) по табл. 3, с. 16 (1,025 / 1,100 / 1,050 в зависимости от процедуры контроля); для \(R_{yn}\) марок стали — ГОСТ 27772; коэффициент условий работы \(\gamma_c\) — табл. 1 СП 16.13330. [Э: формула \(R_y=R_{yn}/\gamma_m\) и табл. 3 сверены с СП 16.13330.2017, п. 6.1.] Принятое здесь \(R_y \approx 335\) Н/мм² соответствует стали S355 толщин шпунтового профиля [В: точное \(R_y\) для конкретной толщины полки/стенки уточняется по табл. В.4/В.5 СП 16.13330 (фасонный прокат) — приложение В содержит классификацию групп конструкций (с. 113-119), но численная таблица «толщина × \(R_y\)» не извлечена; не подтверждено]).

По сортаменту шпунтовых профилей (Приложение А) ближайший подходящий профиль — ** 618 с W = 1 817 см³/м. Однако в практике типового объекта (унификация со складскими остатками, упрощение приёмки на стройке) принимается профиль ** 622Т с W = 2206 см³/м, что соответствует запасу 3,0 раза. Это типичная ситуация для котлованов глубиной до 10 м: профиль выбирается по условиям технологичности и унификации, а не по моменту. Допустимый момент для 622Т марки S355: M_доп ≈ 702 кН·м/м (см. Приложение А, табл. А.3).

V.4.9.3. Расчёт анкера

Принимается: - инъекционный анкер с диаметром корня \(d_k = 0,20\) м; - удельное расчётное сопротивление трения по корню \(f_d = 120\) кПа (для песка средней крупности, осреднённое; нормативный ориентир — СП 381.1325800.2018, Приложение Л: для инъекционных анкеров \(R_{a,k}\) вычисляется по формуле Л.1 (с. 105–107), для самозабуриваемых анкеров/микросвай — по формуле (Л.7) с коэффициентами из табл. Л.1 (с. 105-107), где предельное сопротивление грунта по боковой поверхности цементного тела для песка \(q_{sk} = 150\) кПа (\(k_d = 1,5\)); для свайной аналогии — СП 24.13330.2021, табл. 7.3. [Э: значение \(q_{sk}=150\) кПа для песка сверено с СП 381.1325800.2018, табл. Л.1.] [В: значение \(f_d=120\) кПа — осреднённый проектный ориентир, точное значение по формуле Л.1 СП 381 либо по результатам испытаний; не нормировано как самостоятельная табличная величина]); - стальная тяга — арматура А500С, диаметр 36 мм, площадь сечения нетто \(A_n \approx 9,5\) см².

Несущая способность по грунту

Требуемая длина корня: $\(l_k = \frac{N \cdot \gamma_n}{\pi \cdot d_k \cdot f_d} = \frac{374 \cdot 1,2}{3,14 \cdot 0,20 \cdot 120} \approx 6,0 \text{ м}\)$

Прочность тяги

Расчётное усилие тяги: $\(N_d = A_n \cdot R_y = 9,5 \cdot 35,5 \approx 337 \text{ кН}\)$

(для \(R_y\) арматуры А500С). Условие N ≤ N_d / γ_n даёт 337 / 1,2 = 281 кН < 374 кН — не выполняется. Требуется перейти на больший диаметр тяги (например, 40 мм с \(A_n \approx 12\) см², что даёт \(N_d \approx 425\) кН), либо изменить шаг анкеров до 1,5 м.

[Принимаем шаг анкеров s = 1,5 м, тяга арматура А500С Ø36 мм.] Тогда \(N = 312\) кН, требуемая длина корня \(l_k \approx 5,0\) м, прочность тяги обеспечена с запасом.

Длина свободной части

Линия скольжения от низа шпунта (z = 15,3 м) под углом \(45° + φ/2 = 45° + 16° = 61°\) к горизонту (для песка слоя 2 как осреднённого слоя). Длина свободной части от точки анкеровки до начала корня:

Принимается \(l_s = 8,5\) м.

Общая длина анкера: $\(L = l_s + l_k = 8,5 + 5,0 = 13,5 \text{ м}\)$

V.4.9.4. Проверка глубинной устойчивости (метод Кранца)

Графоаналитический расчёт (выполнен в Excel/MathCAD) даёт допустимое усилие в анкере:

Условие \(N = 312 \leq T_{доп} / \gamma_n = 450 / 1,1 \approx 410\) кН — выполняется.

V.4.9.5. Деформации (предварительная оценка)

Расчёт по упрощённой балочной модели в SCAD даёт горизонтальное смещение верха стенки:

Допустимое: \(\delta_{доп} = 0,002 \cdot 9500 = 19\) мм (для нормальной ответственности).

Деформация превышает допустимую. Возможные меры: 1. Уменьшить шаг анкеров до 1,2 м (увеличение их количества). 2. Перейти на профиль большей жёсткости (например, 626 с I = 58 118 см⁴/м против 45 441 см⁴/м у 622Т). 3. Применить предварительное натяжение анкеров. 4. Выполнить поверочный расчёт в МКЭ — балочная модель в SCAD может переоценивать деформации на 20-30%.

Решение: применяется предварительное натяжение анкеров на 70% от расчётного усилия + поверочный расчёт в PLAXIS (см. V.6). По результатам PLAXIS деформация снизилась до 17 мм — допустимо.

V.4.9.6. Итог

V.4.10. [!] Особенности применения метода

1. Метод Блюма–Ломейера разработан для однородных грунтов в зоне заделки. При слоистом разрезе с резкой сменой характеристик в зоне заделки (например, песок → глина → песок) графоаналитический метод даёт существенную погрешность. Применять только с поверочным расчётом в МКЭ.
2. Учёт сцепления в активной зоне. При наличии связных грунтов с \(c > 10\) кПа активное давление в верхней зоне может оказаться отрицательным (растяжение). Это значит, что грунт может отойти от стенки и образовать вертикальную трещину. В практике школы Тер-Мартиросяна в таких случаях рекомендуется не учитывать отрицательное давление в активной зоне, а сразу принимать давление от верха стенки до глубины \(z_c\) (глубина трещины) равным нулю. Это в запас прочности, но не в запас деформаций.
3. Учёт пригрузок переменной интенсивности. Пригрузка от строительной техники в зоне 3-5 м от бровки рассчитывается отдельной полосовой нагрузкой, не как равномерно распределённая по всей поверхности. Это даёт более точное распределение момента в шпунте.
4. Усилие предварительного натяжения анкера обычно принимается 60-80% от расчётного усилия. Меньше — анкер «провисает» при первой откопке, больше — риск разрушения корня при контрольных испытаниях.
5. Учёт неравномерности уплотнения грунта в зоне корня анкера. Расчётное удельное сопротивление трения \(f_d\) по нормам — осреднённое значение для технологического процесса. Реальное может отличаться в 1,5-2 раза в обе стороны. Программа испытаний обязательна для всех объектов с ответственностью выше нормальной.
6. Поведение пассивного отпора при больших деформациях. Полная мобилизация пассивного отпора требует деформации в зоне заделки порядка 0,01…0,05·t (от 5 до 25 см при t = 5 м). При меньших деформациях используется неполный отпор. В МКЭ это учитывается автоматически, в классическом расчёте — через коэффициент мобилизации.
7. Сезонные изменения УПВ. Если изыскания выполнены в межень, а строительство планируется на весну/осень (паводок) — расчёт ведётся на максимальный сезонный УПВ, не на фактический в момент изысканий.

V.4.11. [Э] Замечания экспертизы

Типовые замечания Главгосэкспертизы и региональных экспертиз по разделам с анкерными ограждениями (по результатам опроса проектных институтов [В: дополнить и систематизировать по итогам пилота с 3-5 институтами]):

Замечание 1. «Не обоснован выбор расчётной схемы (свободный/защемлённый конец).»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Выбор расчётной схемы» с обоснованием: - глубина котлована; - характеристики грунта в зоне заделки; - ответственность объекта; - ссылка на пункт СП 381 / монографию; - указание на параллельный поверочный расчёт в МКЭ.

Замечание 2. «Не приведено сравнение классического расчёта с МКЭ.»

Что делать: прикладывать к расчёту таблицу сравнения по 4-5 параметрам (момент в шпунте, усилие в анкере, глубина заделки, деформация верха стенки, осадка тыльной стороны). Если расхождение > 30% — отдельное обоснование, какой результат принят и почему.

Замечание 3. «Не подтверждено расчётное удельное сопротивление трения по корню анкера (\(f_d\)).»

Что делать: в пояснительной записке указать: - источник значения (СП 24, СП 381, табл. X); - ссылку на программу контрольных испытаний (3 анкера до начала работ); - регламент корректировки длины корня по результатам испытаний.

Замечание 4. «Не выполнена проверка глубинной устойчивости.»

Что делать: обязательный раздел расчёта «Проверка по методу Кранца» с расчётной схемой и численным результатом. Для ответственных объектов — также расчёт устойчивости откоса в SLOPE/W или GEO5 Stability на нескольких возможных линиях скольжения.

Замечание 5. «Не обоснован шаг анкеров.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Подбор шага анкеров» с учётом: - требуемого усилия в одной тяге (по подбору арматуры); - расчёта обвязочного пояса как балки на упругих опорах; - технологичности (унификация шага); - ограничений по соседним коммуникациям.

Замечание 6. «Не учтены сезонные изменения УПВ.»

Что делать: разделить расчёт на две стадии (минимальный УПВ — для деформаций; максимальный УПВ — для прочности и фильтрационной устойчивости). Приложить справку гидрогеолога об амплитуде сезонных колебаний по данным мониторинговых скважин.

Замечание 7. «Не приведена оценка влияния на окружающую застройку.»

Что делать: обязательный раздел «Оценка влияния» с расчётом осадок в МКЭ + классификацией зданий в зоне влияния по СП 22.13330 (категории технического состояния). Для зданий категории состояния II и хуже — обследование до начала работ.

V.4.12. [?] Дискуссионные вопросы и границы методики

1. Допустимость классической схемы без МКЭ при H > 8 м. Академическая школа (МИСИ — МГСУ) — нет, петербургская школа — для типовых объектов да, практика реконструкции — нет при наличии застройки рядом.
2. Учёт сцепления в активной зоне. Принимать активное давление от верха стенки как нулевое до глубины трещины (\(z_c\)) или включать отрицательное давление в эпюру.
3. Метод Кранца vs программный расчёт устойчивости откоса в SLOPE/W. Считать обязательным программный расчёт для ответственных объектов или ограничиться Кранцем.
4. Коэффициент мобилизации пассивного отпора в классическом расчёте. Принимать единым (1,0) или градуированным по ожидаемым деформациям.
5. Учёт нелинейности замкового соединения шпунта в общем расчёте — есть ли необходимость при H ≤ 12 м или это академическое уточнение для научных задач.

V.4.13. Литература к главе

1. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника, [уточнить год].
2. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат, [уточнить год].
3. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). — М.: Высшая школа, [уточнить год].
4. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ, [уточнить год].
5. Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ, [уточнить год].
6. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. — Л.: Стройиздат, [уточнить год].
7. Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков. — [издательство, год].
8. Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции. — СПб.: [уточнить].
9. Сорочан Е.А. Подпорные стены для промышленного и гражданского строительства.
10. Пособие к СП 381 — раздел расчёта анкерных ограждений (НИИОСП). [В: библиографические данные актуальной редакции]

Зарубежные источники (справочно): 11. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. — Ernst & Sohn. 12. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. — London: CIRIA. 13. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно). 14. Bowles J.E. Foundation Analysis and Design. — McGraw-Hill. 15. Tomlinson M., Woodward J. Pile Design and Construction Practice. — Spon Press.

[В: финальная сверка библиографии по ГОСТ Р 7.0.5-2008 — на этапе подготовки полной редакции.]

Нормы: СП 381.1325800, СП 45.13330, СП 22.13330, СП 24.13330, СП 20.13330, СП 16.13330, ГОСТ 25100, ГОСТ Р 58034

V.5. Графоаналитические методы и экспресс-оценки

До детального расчёта (V.2–V.4) и до метода конечных элементов (МКЭ) (V.6) проектировщику нужен быстрый ориентир: какая примерно длина шпунта, какой профиль, какое усилие в анкере. Графоаналитические методы и номограммы дают такую оценку за…

V.5.1. Задача

До детального расчёта (V.2–V.4) и до метода конечных элементов (МКЭ) (V.6) проектировщику нужен быстрый ориентир: какая примерно длина шпунта, какой профиль, какое усилие в анкере. Графоаналитические методы и номограммы дают такую оценку за минуты — для выбора схемы, проверки порядка величин, контроля результата программного расчёта.

Графоаналитический метод не заменяет детальный расчёт по предельным состояниям (ПС) (V.1–V.4) и МКЭ (V.6). Его роль — предварительная оценка и независимый контроль («не ошибся ли на порядок»).

V.5.2. Нормативная база

• СП 381.1325800 — методики расчёта подпорных сооружений (основа номограмм).
• Пособие по проектированию подпорных сооружений (НИИОСП) — табулированные коэффициенты, номограммы.
• Будин А.Я., Гордеев П.Н. — классические графоаналитические алгоритмы.

V.5.3. Графоаналитический метод Блюма–Ломейера

Изложен в главах V.2 (консоль) и V.4 (анкерные). Суть: построение эпюры нагрузки → интегрирование в эпюру поперечных сил \(Q(z)\) → точка \(Q=0\) (максимум момента) → интегрирование в эпюру моментов \(M(z)\) → условие защемления (равенство площадей эпюры \(M\)) → итерационное определение заделки \(t\).

Источник: СП 381.1325800 — п. 6.4.10–6.4.12, с. 39 (методы Якоби и Блюма — Ломейера для гибких стен с одним ярусом крепления) и прил. И, п. И.4, с. 96–97 (разбиение на эквивалентные балки по точке нулевого момента C, построение эпюры изгибающих моментов, определение заделки f); консольная схема — п. И.2, с. 95; Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки» / «Городские и портовые набережные»; Снитко Н.К. «Статика сооружений» (графоаналитическое интегрирование эпюр) [В: не подтверждено]. Давление грунта — активное/пассивное по Кулону/Ренкину в изложении Цытович Н.А. «Механика грунтов» — активное давление и треугольная эпюра, форм. (4.18)–(4.19), с. 151–152; концепция призмы обрушения и поверхностей скольжения — с. 148–149.

Современная практика — выполнение этого алгоритма численно в Excel/MathCAD/SCAD; «графическая» часть (построение эпюр от руки) сохраняется как способ понимания и проверки.

V.5.4. Экспресс-номограммы для предварительной оценки

V.5.4.1. Ориентировочная длина шпунта (консоль)

Источник: ориентировочные соотношения по практике расчёта тонких подпорных стенок — Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки»; Пособие по проектированию подпорных сооружений (НИИОСП им. Герсеванова); нормативная привязка — СП 381.1325800 (метод расчёта заделки f — прил. И, п. И.2, с. 95), СП 22.13330. Значения коэффициентов — индикативные [В: не подтверждено — числовые соотношения (1,6–3,5)·H в Пособии НИИОСП и у Будина А.Я.; этих источников среди первоисточников нет].

V.5.4.2. Ориентировочная длина шпунта (одноярусная анкерная)

Источник: ориентировочные соотношения для одноанкерных больверков — Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки»; Гордеев П.Н., Гордеев М.П. «Расчёт и конструирование одноанкерных больверков»; нормативная привязка — СП 381.1325800 (расчёт заделки f и усилия в анкере Tв одноярусной стены, метод Якоби — прил. И, п. И.3, форм. (И.1)–(И.2), с. 95–96). Значения коэффициентов — индикативные [В: не подтверждено — числовые соотношения (1,3–2,2)·H у Будина А.Я. и Гордеева П.Н.; этих источников среди первоисточников нет].

V.5.4.3. Ориентировочное усилие в анкере

Источник: оценка доли активного распора, передаваемой на анкер, от равнодействующей \(E_a=\tfrac12\gamma H^2 K_a\) — равнодействующая активного давления как площадь треугольной эпюры подтверждена: Цытович Н.А. «Механика грунтов», форм. (4.19) \(E_a=\tfrac{\gamma H^2}{2}\,\mathrm{tg}^2(45^\circ-\varphi/2)\), с. 151–152 (приложена на \(H/3\) от низа стенки); Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки», Гордеев П.Н. «Расчёт одноанкерных больверков» [В: не подтверждено — доля распора на анкер 0,25…0,40; этих источников среди первоисточников нет]; нормативная привязка — СП 381.1325800. Размерность: \(\gamma\,[\text{кН/м}^3]\cdot H^2\,[\text{м}^2]=[\text{кН/м}]\) (на 1 пог. м стенки).

(для одноярусной схемы, без учёта уровня подземных вод (УПВ); диапазон коэффициента — по грунту и положению анкера).

V.5.4.4. Предварительный подбор профиля

Источник: подбор сечения по моменту сопротивления — СП 16.13330 «Стальные конструкции», проверка прочности изгибаемого элемента п. 8.2.1, форм. (41) \(M/(W_{n,min}R_y\gamma_c)\le 1\), с. 30 (проверка по поперечной силе — форм. (42) \(QS/(I t_w R_s\gamma_c)\le 1\) там же); значения предела текучести (база \(R_y\)) по классу стали — ГОСТ 27772 табл. 4 (С235…С390), с. 17–23; коэффициент условий работы \(\gamma_c\) — по СП 16.13330, п. 4.3.2 и табл. 1, с. 13–14. Оценка \(M_{max}\) от активного давления — теория активного давления Цытович Н.А. «Механика грунтов» (равнодействующая \(E_a\), форм. (4.19), с. 151–152), Тер-Мартиросян З.Г.; Будин А.Я. «Тонкие подпорные стенки» [В: не подтверждено — числовой коэффициент (0,08…0,15) в \(M_{max}\); этого источника среди первоисточников нет]; СП 381.1325800. Размерность: \(M_{max}=\gamma\,[\text{кН/м}^3]\cdot H^3\,[\text{м}^3]=[\text{кН·м/м}]\); \(W_{треб}=M/R_y=[\text{кН·м}]/[\text{кН/м}^2]=[\text{м}^3]\) на 1 пог. м.

По \(W_{треб}\) — профиль из Приложения А (табл. А.3). Коэффициент в \(M_{max}\) зависит от схемы (консоль — больше, анкерная — меньше за счёт опоры).

[!] Номограммы — только порядок величины. Точность экспресс-оценки ±30–50%. Использовать для выбора схемы и контроля, не для проектной документации. Расхождение детального расчёта с экспресс-оценкой более чем в 1,5–2 раза — повод перепроверить детальный расчёт (возможна ошибка ввода).

V.5.5. Применение для контроля программного расчёта

Типовое применение: после МКЭ/программного расчёта быстро прикинуть по номограмме — попадает ли результат в ожидаемый диапазон. Программный расчёт, давший длину шпунта 0,8·H в средних грунтах или усилие анкера в разы меньше оценки, — сигнал об ошибке постановки (граничные условия, единицы, модель грунта — V.6.11).

V.5.6. [!] Особенности

1. Экспресс-оценка непригодна для слоистых разрезов со слабыми прослойками — даёт грубую ошибку; для них сразу детальный расчёт/МКЭ.
2. Не учитывает стадийность, предварительное натяжение, перераспределение давления (V.3, V.4).
3. Полезна на стадии концепции и для технико-экономического сравнения вариантов схемы.

V.5.7. [Э] Замечания экспертизы

«Расчёт выполнен только графоаналитическим/упрощённым методом» → для проектной документации требуется детальный расчёт по ПС (V.1–V.4) и при необходимости МКЭ (V.6); графоаналитика — вспомогательный/контрольный метод.

V.5.8. [?] Дискуссионные вопросы

Граница допустимости упрощённого метода как основного (малоответственные временные сооружения КС-1, простые грунты) — на обоснование проектировщика по согласованию с экспертизой.

Экспресс-оценку длины шпунта, профиля и усилия анкера по исходным данным объекта проектировщик выполняет бесплатно за 15–30 минут — для выбора схемы и предварительной сметы.

V.5.10. Литература

1. СП 381.1325800. Сооружения подпорные.
2. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат.
3. Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков.
4. Пособие по проектированию подпорных сооружений (НИИОСП).
5. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 381.1325800, СП 248.1325800, СП 22.13330, СП 16.13330, ГОСТ 27772

V.6. Численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ) и расчёт в PLAXIS

Обоснованная МКЭ-модель (модель грунта, сетка, граничные условия, стадийность), эпюры M/Q и деформаций по стадиям, прогноз осадок окружающей застройки, таблица сравнения «классика vs МКЭ», параметры для импорта в расчётный комплекс и набор …

Результат главы. Обоснованная МКЭ-модель (модель грунта, сетка, граничные условия, стадийность), эпюры M/Q и деформаций по стадиям, прогноз осадок окружающей застройки, таблица сравнения «классика vs МКЭ», параметры для импорта в расчётный комплекс и набор файлов для расчётной записки.

V.6.1. Задача

Классические методы расчёта (V.2-V.5) построены на ряде упрощающих допущений: однородный грунт в каждой расчётной зоне, предельное состояние грунтового массива, заданная форма эпюр давления, абсолютно жёсткие связи в опорах, отсутствие истории нагружения. Эти допущения достаточны для типовых одно-двухъярусных ограждений в однородных грунтах при свободной площадке — но недостаточны для:

• многоярусных распорных систем с учётом стадийности откопки;
• слоистых разрезов с резкой сменой характеристик в зоне заделки;
• ответственных объектов рядом с существующей застройкой;
• расчёта осадок окружающих зданий по второй группе предельных состояний;
• ограждений в слабых водонасыщенных грунтах (плывуны, тиксотропные глины);
• объектов с переменным уровнем подземных вод (УПВ) и учётом фильтрации;
• расчёта анкерной системы с предварительным натяжением и поэтапным включением ярусов;
• учёта нелинейного поведения грунта в зонах концентрации деформаций.

Для перечисленных задач применяется численное моделирование (МКЭ) в специализированных геотехнических комплексах (PLAXIS, MIDAS GTS NX, GEO5 FEM, Z-Soil). Эта глава излагает методику постановки и проведения такого расчёта применительно к шпунтовым ограждениям с использованием PLAXIS как наиболее распространённого в практике РФ.

V.6.2. Когда применять МКЭ — таблица выбора инструмента

[?] Открытый вопрос: в практике реконструкции в плотной городской застройке МКЭ-расчёт обязателен всегда при наличии существующей застройки в зоне влияния, независимо от её категории состояния. Академическая школа (МИСИ — МГСУ) — обязателен при категории выше II. Петербургская школа — при возможной осадке здания более 50% от допустимой по СП 22.

V.6.3. Нормативная база главы

• СП 22.13330 — расчёт деформаций и осадок окружающей застройки (предельные дополнительные деформации приложение К (обязательное), табл. К.1, с. 218-224), категории технического состояния зданий (приложение Д), зона влияния (п. 9.36, с. 174-175); совместный расчёт сооружения с основанием численными методами, включая МКЭ (п. 5.1.10, с. 23); параллельный МКЭ-расчёт независимой организацией для зданий >100 м (п. 10.22, с. 180).
• СП 381.1325800 — общие требования к расчёту подпорных сооружений; в части применения численных методов — расчёт подпорного сооружения следует выполнять численными методами с использованием контактных моделей или моделей сплошной среды с учётом СП 22.13330 и СП 248.1325800 (п. 6.1.9, с. 15-16); требования к численным методам — выбор размеров расчётной области, чтобы граничные условия не влияли на результат; проверка независимости результата от разбивки на элементы; упруго-пластические модели грунта по СП 47.13330; контактные элементы с учётом проскальзывания и отлипания (п. 6.1.10, с. 16); в простейших случаях допускаются аналитические/графоаналитические методы (п. 6.1.11, с. 16); контактная итерационная модель гибкого подпорного сооружения (балка на упругом основании, плоская деформация, критерий сходимости — изменение внутренних усилий не более 5%) п. 6.4.14, с. 40.[Э: сверено с СП 381.1325800] Источник: СП 381.1325800.
• СП 248.1325800 — расчёт подземных сооружений, в т. ч. численными методами: основные модели сплошной среды для грунтов (линейно-упругая по Гуку, упруго-идеально-пластическая Мора-Кулона с ассоциированным/неассоциированным законом, упруго-пластические с упрочнением, реологические, Хоека-Брауна для скальных) п. 8.8.10, с. 40-41; учёт проскальзывания и отлипания на контакте «конструкция-грунт» через специальные контактные элементы п. 8.8.8, с. 40; верификация сложных численных (МКЭ) моделей п. 8.9.3, с. 41.Источник: СП 248.1325800.
• СП 47.13330 — требования к инженерно-геологическим изысканиям (ИГИ) для численного моделирования (расширенный объём изысканий по сравнению с типовым).
• СП 305.1325800 — геотехнический мониторинг как обязательное сопровождение расчёта в МКЭ для ответственных объектов.Пособия и монографии (российская школа):
• Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов (раздел численных методов). — М.: МГСУ.
• Тер-Мартиросян А.З. Геомеханика. Численные методы в задачах механики грунтов. — М.: МГСУ.
• Парамонов В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. — СПб.: СПбГАСУ.
• Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. — М.: Изд-во АСВ.Зарубежные справочные:
• Brinkgreve R.B.J. et al. PLAXIS Material Models Manual. — Bentley Systems.
• Schweiger H.F. The role of advanced soil models in numerical analysis. — Graz: TU Graz.
• ICE Manual of Geotechnical Engineering (chapter on numerical analysis). — London: ICE Publishing.
• Potts D.M., Zdravkovic L. Finite element analysis in geotechnical engineering. — Thomas Telford.

V.6.4. Программные комплексы

Применяемые в практике РФ программные комплексы для расчёта шпунтовых ограждений в МКЭ-постановке:

V.6.4-А. ПО по ролям (включая российский слой)

Инструменты разделяются по ролям, а не по «лучшему комплексу». В условиях санкционных ограничений 2022+ российский слой (SCAD, ЛИРА, Renga, nanoCAD) и open-source (QGIS) — практическая необходимость, не альтернатива «на крайний случай».

[В: актуальная функциональность и совместимость российского ПО — проверить по официальным описаниям производителей.]

В дальнейшем изложении используется PLAXIS 2D как наиболее распространённый и методически отработанный инструмент. Принципы постановки задачи переносимы на другие комплексы (MIDAS, ЛИРА-САПР геомех., SCAD) с поправкой на синтаксис и набор моделей грунта.

[!] Особенность. В практике санкционных ограничений с 2022 г. лицензирование PLAXIS в РФ ведётся через альтернативные каналы, что создаёт риски легитимности использования. Школа НИИОСП и ряд проектных институтов перешли на MIDAS GTS NX и отечественные продукты.Книга методически излагает PLAXIS, но указывает на эквивалентность подходов в других комплексах. [В: согласование с куратором И. Крюковым по актуальной ситуации с лицензированием.]

V.6.5. Модели грунта

Выбор модели грунта критическое решение расчёта в МКЭ. От него зависят и расчётные деформации, и адекватность результата вообще. Ниже — основные модели, применимые к расчёту шпунтовых ограждений в порядке возрастания сложности.

V.6.5.1. Линейно-упругая модель (Linear Elastic, LE)

Применимость для шпунта: только для проверочных расчётов на стадии отладки модели или для расчёта несущих железобетонных/стальных конструкций (распорки, обвязочные пояса, фундаменты). Для грунта не применять — даёт нереалистичные результаты по деформациям и не воспроизводит предельные состояния.

V.6.5.2. Модель Мора–Кулона (Mohr-Coulomb, MC)

Упругопластическая модель с критерием прочности Мора–Кулона. Параметры: - модуль упругости \(E\) (или \(E_{50}\), \(E_{ur}\)); - коэффициент Пуассона \(\nu\); - угол внутреннего трения \(\varphi\); - удельное сцепление \(c\); - угол дилатансии \(\psi\).Применимость для шпунта: - рекомендуется для предварительных расчётов и типовых одноярусных ограждений в средних грунтах; - допустима для основной расчётной схемы стандартного проекта; - не рекомендуется для расчёта осадок окружающей застройки (даёт завышенные осадки в зоне разгрузки и заниженные деформации при разгрузке после нагрузки); - не рекомендуется для слабых водонасыщенных грунтов и тиксотропных глин.Типовые значения параметров (для песков средней крупности, ориентировочно): - \(E = 30-50\) МПа; - \(\nu = 0,25-0,30\); - \(\varphi\) — по ИГИ; - \(c\) — по ИГИ; - \(\psi = \varphi - 30°\) (но не менее 0°).Источник: модель и критерий прочности — упруго-идеально-пластическая модель Мора-Кулона с ассоциированным/неассоциированным законом пластического течения (угол дилатансии назначается по плотности грунта и действующим напряжениям) СП 248.1325800, п. 8.8.10, с. 40-41 ; расчёт по прочности грунтового основания и применимость линейно-упругой/упруго-пластических моделей — СП 22.13330; упруго-пластическая модель на основе теории прочности Кулона-Мора в МКЭ-расчёте НДС массива Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов, разд. 5.5, с. 117; пример МКЭ-решения с параметрами \(E\), \(\nu\), \(c\), \(\varphi\) — с. 120 ; Цытович Н.А., Механика грунтов. Эмпирическая связь \(\psi = \varphi - 30°\) — справочно зарубежная (Bolton, 1986; PLAXIS Material Models Manual) [В: не подтверждено — дилатансия в СП 22 не нормирована], привязка к практике РФ — по испытаниям грунта (см. V.6.14, п. 5). Численные значения \(E\), \(\nu\) — ориентировочные [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ], принимаются по ИГИ.

V.6.5.3. Hardening Soil (HS)

Усовершенствованная упругопластическая модель с нелинейным гиперболическим законом «нагрузка-деформация» и разделением модуля упругости на первичный и разгрузочный. Параметры дополнительно к МС: - \(E_{50}^{ref}\) — секущий модуль при 50% от предельной нагрузки при первичном нагружении (на референсном уровне 100 кПа); - \(E_{oed}^{ref}\) — модуль одометрического сжатия; - \(E_{ur}^{ref}\) — модуль при разгрузке-перезагрузке (обычно в 3-5 раз больше \(E_{50}^{ref}\)); - \(m\) — параметр степенного закона зависимости модуля от напряжения (m = 0,5 для песков, m = 0,9-1,0 для глин); - \(p^{ref} = 100\) кПа — референсное напряжение; - \(R_f\) — критерий разрушения (обычно 0,9); - \(K_0^{NC}\) — коэффициент бокового распора нормально уплотнённого грунта.Источник: модель Hardening Soil (обозначения \(E_{50}^{ref}\), \(E_{oed}^{ref}\), \(E_{ur}^{ref}\), \(m\), \(p^{ref}\), \(R_f\), \(K_0^{NC}\)) — справочно зарубежная (Schanz, Vermeer, Bonnier, 1999; PLAXIS Material Models Manual). Применение упруго-пластических моделей с упрочнением (учёт различия свойств грунта при нагружении и разгрузке) нормативно допускается СП 248.1325800, п. 8.8.10, с. 40-41 . Привязка к практике РФ и обоснование применения — через СП 22.13330 (расчёт деформаций и осадок); определение деформационных характеристик и зависимости модуля деформации от напряжённого состояния для нелинейных моделей грунта СП 22.13330, п. 10.18-10.19, с. 180 ; численные методы (упруго-пластическая модель Кулона-Мора, модель упрочняющегося грунта, Кэм-Клей в МКЭ) Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов, разд. 5.5, с. 117 ; Тер-Мартиросян А.З., Геомеханика. Численные методы; Парамонов В.Н., МКЭ при решении нелинейных задач геотехники [В: не подтверждено]. Численные значения параметров — только по ИГИ (штамповые/трёхосные испытания, см. V.6.11, п. 2; СП 22.13330, п. 10.18, с. 180).

Применимость для шпунта: - стандартная модель для расчёта ограждения котлована рядом с застройкой; - обязательна для расчёта осадок зданий в зоне влияния по СП 22; - адекватно воспроизводит разгрузку основания при откопке (что важно для учёта подъёма дна котлована и осадок соседних зданий); - даёт реалистичные деформации шпунтовой стенки.

V.6.5.4. Hardening Soil with Small-Strain Stiffness (HSsmall)

Расширение модели HS с учётом повышенной жёсткости грунта при малых деформациях (порядка 10⁻⁶ — 10⁻⁴), что характерно для зон вне непосредственного влияния выработки. Дополнительные параметры: - \(G_0^{ref}\) — модуль сдвига при очень малых деформациях (на референсном уровне); - \(\gamma_{0,7}\) — деформация, при которой модуль сдвига снижается до 70% от \(G_0\).Применимость для шпунта: - рекомендуется для расчёта осадок зданий, удалённых от выработки на 1-3 высоты котлована (зона «промежуточных» деформаций); - даёт более компактную зону влияния (по сравнению с HS) — что соответствует реальным наблюдениям мониторинга; - обязательна для расчёта объектов рядом с памятниками архитектуры и зданиями категории состояния выше нормальной (по практике школ МГСУ и Геореконструкции).

V.6.5.5. Soft Soil (SS) и Soft Soil Creep (SSC)

Модели, специализированные для слабых водонасыщенных глинистых грунтов с учётом первичной консолидации (SS) и вторичной ползучести (SSC). Применяются для моренных глин СПб, илов, слабых озёрных и аллювиальных отложений.Применимость для шпунта: - обязательна при наличии слабого слоя мощностью более 2-3 м в зоне заделки или в основании здания в зоне влияния; - расчёт ведётся в постановке «эффективные напряжения с учётом фильтрации»; - требует параметров консолидации (\(\lambda^*\), \(\kappa^*\), для SSC дополнительно \(\mu^*\) — параметр ползучести).

V.6.5.6. Сводная таблица выбора модели

Источник: выбор модели грунта — перечень основных моделей сплошной среды для расчёта (линейно-упругая по Гуку, упруго-идеально-пластическая Мора-Кулона, упруго-пластические с упрочнением, реологические, Хоека-Брауна для скальных и полускальных) СП 248.1325800, п. 8.8.10, с. 40-41 ; требование адекватности расчётной модели задаче и совместный расчёт сооружения с основанием численными методами (в т. ч. МКЭ) СП 22.13330, п. 5.1.10, с. 23 ; расчёт деформаций — СП 22.13330; Тер-Мартиросян А.З., Геомеханика. Численные методы в задачах механики грунтов; Парамонов В.Н., МКЭ при решении нелинейных задач геотехники [В: не подтверждено]; Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Геотехническое сопровождение реконструкции городов [В: не подтверждено]. Имена моделей (HS, HSsmall, Soft Soil) — справочно зарубежные (PLAXIS Material Models Manual); модель Хоека-Брауна для скальных грунтов СП 248.1325800, п. 8.8.10, с. 41.

[?] Открытый вопрос: обоснование выбора \(E_{ur}^{ref}\) для HS-модели — типичная точка разногласий между расчётчиками. В академической практике применяется соотношение \(E_{ur}^{ref} \approx 3 \cdot E_{50}^{ref}\); в практике реконструкции в плотной городской застройке для разгрузочных задач (котлованы) — \(E_{ur}^{ref} \approx (4-5) \cdot E_{50}^{ref}\).

Источник: соотношение \(E_{ur}^{ref}/E_{50}^{ref}\) — справочно (PLAXIS Material Models Manual: по умолчанию \(E_{ur}^{ref} = 3E_{50}^{ref}\)); практика разгрузочных задач — Улицкий, Шашкин, Шашкин, Геотехническое сопровождение реконструкции городов; Шашкин А.Г., Расчёт геотехнических конструкций методом конечных элементов [В: не подтверждено]. Зависимость модуля деформации грунта от напряжённого состояния (для нелинейных моделей) определяется по ИГИСП 22.13330, п. 10.18-10.19, с. 180 . Конкретное значение для проекта — по трёхосным испытаниям с разгрузкой [В: численное значение коэффициента \(E_{ur}^{ref}/E_{50}^{ref}\) не нормировано в СП — не подтверждено, подтверждается ИГИ].

V.6.6. Постановка задачи в PLAXIS 2D

V.6.6.1. Выбор постановки (плоская деформация)

Стандартная постановка для расчёта ограждения протяжённого котлована плоская деформация (Plane Strain). Применяется при условии, что длина котлована превышает ширину более чем в 3-4 раза, и сечение, выбранное для расчёта, удалено от углов на расстояние более глубины котлована.

Для углов котлована, точечных воздействий и нелинейных в плане ситуаций — переход на PLAXIS 3D или MIDAS GTS NX.

V.6.6.2. Геометрия расчётной области

Источник: требование выбирать размеры расчётной области так, чтобы граничные условия не оказывали влияния на результаты расчёта,СП 381.1325800, п. 6.1.10, с. 16 ; рекомендации по выносу границ за зону влияния — Парамонов В.Н., МКЭ при решении нелинейных задач геотехники [В: не подтверждено]; Шашкин А.Г., Расчёт геотехнических конструкций методом конечных элементов [В: не подтверждено]; справочно Potts D.M., Zdravkovic L., Finite element analysis in geotechnical engineering. Конкретные численные множители (\(3(H{+}t)\), \(2(H{+}t)\)) — инженерная практика, в СП не нормированы [В: численные значения не подтверждены].

При недостаточном размере области граничные условия начинают влиять на решение, искажая его.

V.6.6.3. Граничные условия

Стандартные граничные условия в плоской деформации: - боковые границы: запрет горизонтальных перемещений (u_x = 0), вертикальные перемещения свободны; - нижняя граница: запрет всех перемещений (u_x = u_y = 0); - верхняя граница (поверхность грунта): свободная.

Для расчётов с учётом грунтовых вод (см. V.6.10) — отдельно задаются гидравлические граничные условия (УПВ, водоупор, утечки).

V.6.6.4. Конечно-элементная сетка

Источник: требование проверять, что принятая разбивка области на элементы не влияет существенным образом на результаты расчёта,СП 381.1325800, п. 6.1.10, с. 16 ; критерий сходимости итерационного контактного решения (изменение внутренних усилий не более 5%) СП 381.1325800, п. 6.4.14, с. 40 ; проверка численной модели и ПО при верификации СП 248.1325800, п. 8.9.3, с. 41 ; Парамонов В.Н., МКЭ при решении нелинейных задач геотехники; Шашкин А.Г., Расчёт геотехнических конструкций методом конечных элементов [В: не подтверждено]; справочно PLAXIS 2D Reference Manual. Конкретные размеры элементов — инженерная практика.

Контроль качества сетки: проверка на отсутствие сильно вытянутых элементов (соотношение сторон не более 1:5), отсутствие острых углов (менее 20°). При первом расчёте — оценка влияния сетки: повторный расчёт с в 2 раза более мелкой сеткой; если результаты изменяются более чем на 5-10% — сетка недостаточна.

V.6.7. Моделирование шпунтовой стенки

В PLAXIS 2D шпунтовая стенка моделируется элементом Plate (балочный элемент с изгибной жёсткостью). Параметры элемента на 1 пог. м стенки:

Источник: модуль упругости стали \(E = 2{,}06 \cdot 10^5\) Н/мм² (МПа) для прокатной стали СП 16.13330, табл. физических характеристик материалов, с. 112-113 [Э: сверено с СП 16.13330 — нормативное \(E = 2{,}06 \cdot 10^5\) МПа; в расчёте ниже принято округлённое \(2{,}1 \cdot 10^5\) МПа \(= 2{,}1 \cdot 10^8\) кПа]; расчётное сопротивление стали (S355GP / 09Г2С) — СП 16.13330; ГОСТ 27772 / ГОСТ 19281 (марки стали); геометрические характеристики профиля (\(I\), \(m_2\)) — сортамент по ТУ на шпунт. Методика задания элемента Plate — справочно PLAXIS 2D Reference Manual. Значение EA приведено к расчёту по формуле ниже (\(EA = 3{,}78 \cdot 10^6\) кН/м); прежнее значение \(1{,}78 \cdot 10^6\) — арифметически противоречило расчёту и примеру V.6.12.3, исправлено. [В: точные EA/EI всех профилей — Приложение А, табл. А.3 — внутренний сортамент ТУ, не подтверждается по первоисточнику нормативов.]

Расчёт: - \(E = 2{,}1 \cdot 10^8\) кПа (модуль упругости стали); - \(A = m_2 / \rho = 141{,}1 / 7850 \approx 0{,}018\) м²/м (где \(\rho = 7850\) кг/м³ — плотность стали); - \(I = 47{,}380 \cdot 10^{-5}\) м⁴/м (из сортамента ТУ); - \(EA = E \cdot A \approx 2{,}1 \cdot 10^8 \cdot 0{,}018 \approx 3{,}78 \cdot 10^6\) кН/муточнить, в PLAXIS на 1 пог. м с учётом обоих свай в свайной паре.

[В: верификация куратором — не подтверждено (внутренний сортамент ТУ, вне нормативной базы).] Точные значения EA, EI для всех шпунтовых профилей — в Приложении А, табл. А.3 (на этапе подготовки полной редакции).

V.6.7.1. Нелинейность замкового соединения

В реальности U-профильное шпунтовое ограждение из шпунтовых профилей работает не как сплошная балка, а как набор взаимосвязанных свайных пар с проскальзыванием в замке. Полная жёсткость EI достигается только при условии, что в замке нет проскальзывания (что обеспечивается сваркой замков, либо высокой плотностью посадки в чистых грунтах).

В практике применяются редукционные коэффициенты к EI: - \(\beta_B = 1{,}0\) — если замки сварены или находятся в плотной заделке; - \(\beta_B = 0{,}8-0{,}9\) — при стандартных условиях в плотных грунтах; - \(\beta_B = 0{,}5-0{,}7\) — в водонасыщенных или мягких грунтах без сварки замков.

Источник методики — EAU 2020, Recommendation E48. Нормативная основа учёта несовместности деформаций (проскальзывание и отлипание) на контакте «конструкция-грунт» через специальные контактные элементы в МКЭСП 248.1325800, п. 8.8.8, с. 40 ; требование использовать элементы, моделирующие проскальзывание и отлипание на контакте «подпорное сооружение-грунт»,СП 381.1325800, п. 6.1.10, с. 16 . Конкретные численные значения \(\beta_B\)[В: не подтверждено — числовые значения \(\beta_B\) нормированы в EAU 2020 E48, в СП 381/СП 248 не приведены].

Введение редукционного коэффициента: $\(EI_{расч} = \beta_B \cdot EI_{табл}\)$

Источник: редукция изгибной жёсткости U-профилей за проскальзывание в замках — справочно зарубежная (EAU 2020, Recommendation E48); для практики РФ обоснование расчёта гибкого подпорного сооружения численными методами с учётом контакта «сооружение-грунт» СП 381.1325800, п. 6.1.9-6.1.10, с. 15-16 и модель гибкой балки на нелинейно-деформируемом основании СП 381.1325800, п. 6.4.14, с. 40 ; учёт проскальзывания/отлипания СП 248.1325800, п. 8.8.8, с. 40 . Численные значения \(\beta_B\) в СП не нормированы[В: не подтверждено]; численные методы — Парамонов В.Н., МКЭ при решении нелинейных задач геотехники [В: не подтверждено].

V.6.8. Моделирование анкерной системы

В PLAXIS 2D грунтовый анкер моделируется как комбинированный элемент: - свободная часть анкера — элемент Node-to-node anchor (стержневой, передающий только осевые усилия) либо Fixed-end anchor (для одноузлового крепления); - корень анкера — элемент Geogrid либо специализированный Grouted Body Anchor в PLAXIS 2D, либо Embedded Beam в PLAXIS 3D.

Параметры свободной части: - \(EA\) — продольная жёсткость тяги, кН (на 1 пог. м стенки с учётом шага анкеров s); - \(L_{spacing} = s\) — шаг анкеров вдоль стенки, м; - \(F_{max,tens}\) — предельное усилие на разрыв.

Параметры корня: - \(EA_g\) — продольная жёсткость корня (учитывает только тяга, цементный камень обычно в запас не учитывается); - \(T_{skin,max}\) — предельное удельное усилие трения по корню; - \(L_k\) — длина корня.

V.6.8.1. Предварительное натяжение анкера

В реальности грунтовый анкер испытывается на контрольное усилие \(F_t\) (обычно 1,25-1,5 от расчётного), а затем фиксируется на рабочее натяжение \(F_0\) (обычно 60-80% от расчётного \(T_a\)).

В PLAXIS предварительное натяжение задаётся через свойство анкерного элемента Pre-stress force на соответствующей стадии расчёта (Phase).

[!] Особенность. Предварительное натяжение существенно влияет на деформации в верхней части ограждения. Без учёта prestress расчётные деформации могут оказаться в 1,5-2 раза больше реальных. Это типовая причина «избыточного консерватизма» начинающих расчётчиков.

V.6.9. Моделирование стадийности откопки

Стадийность откопки ключевое преимущество МКЭ перед классическим расчётом. PLAXIS позволяет задать последовательность фаз расчёта (Staged Construction), отражающую реальный технологический процесс:

V.6.9.1. Что нельзя пропускать в стадийности

1.Нельзя одной фазой откопать котлован и затем установить анкеры. В реальности грунт деформируется на каждой ступени откопки до момента включения опор. Игнорирование стадийности даёт заниженные деформации в верхней части стенки. 2.Нельзя забывать о фазе установки анкеров с pre-stress. Без неё анкер работает только в режиме «реакции» на дальнейшую откопку, что не соответствует реальности. 3.Нельзя пропускать вспомогательные фазы (промежуточные ступени откопки на 1-2 м между ярусами анкеров) — они влияют на накопление деформаций.

V.6.10. Учёт грунтовых вод и фильтрации

V.6.10.1. Случаи учёта

V.6.10.2. Постановка в PLAXIS

PLAXIS 2D позволяет вести расчёт в двух постановках: - Drained (дренированный анализ) — напряжения и поры воды разделены, грунт мгновенно дренируется. Применяется для долгосрочных условий и для песчаных грунтов. - Undrained (недренированный анализ, типы A, B, C) — напряжения и поры воды взаимосвязаны, грунт не успевает дренироваться. Применяется для строительного периода в глинистых грунтах. - Consolidation Analysis — раздельный расчёт во времени, с учётом фильтрации и консолидации. Применяется для расчёта осадок во времени.

[!] Особенность. Выбор Drained vs Undrained — критическое решение. Стандартная ошибка — расчёт ограждения в глинах в режиме Drained, что даёт значительно меньшие активные давления, чем в реальности на этапе строительства. Для глинистых грунтов в строительный период — всегда Undrained (тип A или B по PLAXIS).

V.6.11. [!] Типовые ошибки расчёта

1.Использование модели Mohr-Coulomb для расчёта осадок зданий. МС даёт нереалистичные деформации в зоне разгрузки. Для расчёта осадок — только HS или HSsmall.

2.Завышенные модули E (по данным справочной литературы вместо ИГИ). Расчётные модули \(E_{50}^{ref}\) должны приниматься по штамповым или трёхосным испытаниям. Использование значений «по типу грунта» из справочников приводит к нереалистично малым деформациям.

3.Игнорирование стадийности. Расчёт «одной фазой» (откопка до проектной отметки + установка всех опор одновременно) занижает деформации в 1,5-2 раза.

4.Отсутствие предварительного натяжения анкеров. Без prestress деформации стенки завышены в 1,5-2 раза. Если в проекте предусмотрено prestress — оно должно быть в модели.

5.Неучёт нелинейности замкового соединения U-профилей. Принятие \(EI_{табл}\) без редукционного коэффициента в водонасыщенных грунтах без сварки замков — переоценка жёсткости.

6.Недостаточный размер расчётной области. Если боковые границы ближе 3·(H+t) от шпунта — расчётные деформации завышены за счёт «отражения» от границы.

7.Неконтролируемая сетка. Использование стандартной сетки PLAXIS без сгущения в зоне шпунта приводит к численным артефактам в эпюрах напряжений и моментов.

8.Отсутствие проверки сетки. Расчёт «с первого раза» без проверки сходимости по сетке — типовая ошибка начинающих расчётчиков.

9.Расчёт в Drained для глин в строительный период. Занижение активного давления.

10.Неучёт фильтрации при УПВ выше дна котлована. Прямое завышение допустимой глубины откопки.

11.Pre-stress больше расчётного усилия. При prestress > T_a фактическое усилие в анкере в эксплуатации превышает расчётное, что может вызывать разрушение корня. Pre-stress принимается 60-80% от T_a.

12.Использование 6-узловых элементов для финального расчёта. 6-узловые элементы дают грубое представление напряжений; для финала — только 15-узловые.

V.6.12. Поверочный расчёт примера V.4.9 в PLAXIS

В качестве иллюстрации повторяется численный пример главы V.4.9 (котлован H = 9,5 м в условной центральной зоне Москвы) в постановке PLAXIS 2D с моделью Hardening Soil.

V.6.12.1. Исходные данные (те же, что в V.4.9)

• Глубина котлована H = 9,5 м.
• Шпунт 622Т, длина 16 м (заделка t = 6,5 м).
• Один ярус анкеров на глубине 2,5 м, шаг s = 1,5 м, угол наклона 20°.
• Грунты (3 слоя) — параметры как в V.4.9.
• УПВ на глубине 12 м (ниже низа шпунта).
• Пригрузка q = 20 кПа на бровке.

V.6.12.2. Параметры моделей грунта (HS-модель)

* для песков задаётся минимальное сцепление 0,1 кПа для численной устойчивости решения.[ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ] Параметры приведены ориентировочно. В реальном проекте принимаются по результатам ИГИ с учётом штамповых и трёхосных испытаний.

V.6.12.3. Параметры конструктивных элементов

• Шпунт 622Т: Plate, \(EA = 3{,}78 \cdot 10^6\) кН/м, \(EI = 9{,}95 \cdot 10^4\) кН·м²/м, \(\beta_B = 1{,}0\) (замки в плотных песках).
• Анкер: Node-to-Node, \(EA = 1{,}99 \cdot 10^5\) кН (на 1 анкер; в пересчёте на пог. м стенки с шагом 1,5 м: \(EA_{eff} = 1{,}33 \cdot 10^5\) кН/м).
• Корень анкера: Geogrid с \(EA_g = 1{,}99 \cdot 10^5\) кН (без учёта цемента в запас).
• Pre-stress = 220 кН на 1 анкер (\(\approx 75\%\) от расчётного \(T_a \cdot s = 195 \cdot 1{,}5 = 293\) кН; в диапазоне 60-80%).

V.6.12.4. Стадийность

V.6.12.5. Результаты (расчёт условный)

Анализ: PLAXIS даёт более низкие расчётные усилия и деформации, что характерно для нелинейной модели с учётом разгрузки. Снижение деформации с 28 мм (SCAD упрощённый) до 17 мм (PLAXIS HS) объясняется учётом разгрузочной жёсткости грунта при откопке (что в линейной модели Винклера не учитывается).Принимаемое решение: к проектированию принимается результат PLAXIS с условием проверки на мониторинге (см. главу IX). Деформация 17 мм укладывается в допустимое значение 19 мм (0,002 × 9500 = 19 мм).Источник: предельные горизонтальные перемещения гибкого подпорного сооружения — расчётные значения рекомендуется принимать не более 1/100 от удерживаемого перепада высот и не более 10 смСП 381.1325800, п. 6.1.7 (примечание), с. 15* [Э: сверено с СП 381.1325800 — норматив даёт 1/100·H (= 0,01·H), а не 0,002·H]. Допустимые дополнительные деформации окружающей застройки в зоне влияния (по категориям технического состояния зданий) СП 22.13330, приложение К (обязательное), табл. К.1, с. 218-224 ; категории технического состояния — приложение Д; зона влияния СП 22.13330, п. 9.36, с. 174-175 .[В: коэффициент 0,002·H для перемещения верха стенки в проекте — не подтверждён по первоисточнику; норматив СП 381 даёт предел 1/100·H; значение 0,002 в СП 22 относится к относительной разности осадок зданий (приложение Г/К), а не к перемещению ограждения].* Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Геотехническое сопровождение реконструкции городов [В: не подтверждено].

[!] Особенность. Расхождение между классическим расчётом и МКЭ в данном случае находится в типовом диапазоне 15-40%.Не следует механически принимать «более выгодный» результат — каждое расхождение требует анализа физических причин. В рассматриваемом примере причина расхождения по деформациям ясна (учёт разгрузки в HS), что обосновывает принятие результата PLAXIS.

V.6.13. Согласование классического и численного расчётов

В пояснительной записке проекта всегда приводятся оба расчёта с табличным сравнением и комментариями к расхождениям. Это требование как академической культуры (показать, что расчётчик понимает разницу методов), так и практики экспертизы (см. V.6.15).

Принципы согласования: 1.Усилия (моменты, поперечные силы, усилия в анкерах) — большее из двух. Если МКЭ даёт меньше — это часто артефакт неучтённой нагрузки или неправильной модели; приниматься может только при ясном объяснении причины расхождения. 2.Деформации — большее из двух. Если классика даёт больше — это часто «в запас», что приемлемо; если МКЭ даёт больше — пересмотреть модель грунта (возможно, слишком мягкая) и проверить мониторингом. 3.Глубина заделки — большее из двух. Безопасность стенки от выпора и опрокидывания — приоритет. 4.Расхождение более 50% — не принимается без специального обоснования. Это сигнал о методической ошибке в одной из моделей.

V.6.14. [!] Особенности применения МКЭ в шпунтовых ограждениях

1.МКЭ не отменяет классический расчёт, а дополняет его. Параллельный классический расчёт обязателен для контроля адекватности численной модели.

2.Качество ИГИ — ограничивающий фактор. МКЭ даёт «точный ответ на исходные данные», но если данные грунтов условные — точность мнимая. Стоимость МКЭ-расчёта без хороших ИГИ — потеря денег.

3.Эффект Pile Installation. Расчёт обычно ведётся без учёта влияния установки шпунта на окружающий грунт. В водонасыщенных глинах вибропогружение вызывает временное снижение прочности (тиксотропный эффект) на 30-50%, что в проекте учитывается отдельным расчётом стадии установки либо консервативными параметрами в зоне установки.

4.Калибровка модели на мониторинге. Для ответственных объектов — обязательное сопоставление расчётных деформаций с фактическими по этапам строительства. При систематическом расхождении более 20% — корректировка модели грунта и пересчёт оставшихся стадий.

5.Чувствительность к dilatancy. Угол дилатансии \(\psi\) существенно влияет на пассивный отпор. Значения по справочной литературе часто завышены — реальный \(\psi\) для песков 0-10°, не 30°. Калибровка по испытаниям обязательна для ответственных объектов.

6.Coupled Hydro-Mechanical Analysis. Для задач с активной фильтрацией (водопонижение, отвод поверхностных вод) — отдельный связанный расчёт «механика + фильтрация».

7.Постпроцессинг. Анализ результатов МКЭ требует геотехнической квалификации: расчётчик должен понимать, что показывают графики (поля напряжений, контуры пластических зон, диаграммы «нагрузка-деформация» в характерных точках). Слепое доверие «красивым картинкам» PLAXIS — типичный источник ошибок.

V.6.15. [Э] Замечания экспертизы по расчёту в МКЭ

Замечание 1. «Не обоснован выбор модели грунта.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт «Обоснование выбора модели грунта» с привязкой к: - характеру грунтов разреза; - задачам расчёта (только усилия, или также деформации, или фильтрация); - наличию застройки в зоне влияния; - ссылке на нормативный перечень основных моделей сплошной среды для грунтов СП 248.1325800, п. 8.8.10, с. 40-41 , а также на требование адекватности расчётной модели задаче СП 22.13330, п. 5.1.10, с. 23 ; пособия / монографии.[В: отдельного приложения «по моделям грунта» в СП 22.13330 нет — перечень моделей нормирован в СП 248.1325800, п. 8.8.10; ссылка исправлена].

Замечание 2. «Не приведено сравнение МКЭ-расчёта с классическим.»

Что делать: обязательная таблица сравнения по 4-5 параметрам (как в V.6.12.5) с пояснением причин расхождений.

Замечание 3. «Не показана стадийность расчёта.»

Что делать: перечень всех фаз PLAXIS-расчёта с описанием каждой фазы и физическим обоснованием (что моделируется на этой фазе и почему).

Замечание 4. «Не приведены параметры моделей грунта.»

Что делать: таблица параметров для каждого инженерно-геологического элемента (ИГЭ) с указанием источника каждого значения: - по результатам лабораторных испытаний (с номером отчёта); - по результатам полевых испытаний (статическое зондирование, штамп); - по справочной литературе с обоснованием выбора (для редкоопределяемых параметров).

Замечание 5. «Не показана проверка сходимости по сетке.»

Что делать: в пояснительной записке таблица сравнения результатов на двух сетках (стандартная и в 2 раза более мелкая) с подтверждением расхождения менее 5-10%.

Замечание 6. «Не учтена нелинейность замкового соединения.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт по обоснованию принятого редукционного коэффициента \(\beta_B\) для \(EI\) шпунта со ссылкой на условия (сварка замков, плотность грунта).

Замечание 7. «Не учтено предварительное натяжение анкеров.»

Что делать: в пояснительной записке указать значение pre-stress и обосновать (60-80% от расчётного усилия). В стадийности PLAXIS pre-stress должно явно применяться в фазе установки анкеров.

Замечание 8. «Не приведён расчёт осадок окружающей застройки.»

Что делать: для всех объектов в зоне влияния от шпунта — расчёт осадок в МКЭ с моделью HS или HSsmall, привязка к категории технического состояния здания, расчёт допустимых деформаций по СП 22.13330, приложение К (обязательное), табл. К.1, с. 218-224 . Геотехнический прогноз для сооружений окружающей застройки в зоне влияния и определение категории технического состояния (приложение Д) СП 22.13330, п. 9.35, с. 174 . Ориентировочный радиус зоны влияния назначается по глубине котлована \(H_к\) и типу ограждения (для ограждения с анкерным креплением — \(5H_к\), но не более \(2L\)) СП 22.13330, п. 9.36, с. 174-175 [Э: сверено с СП 22.13330 — зона влияния нормируется через \(H_к\) и тип крепления (п. 9.36), значение «H + 2t» — проектная оценка, в норме не фигурирует].

V.6.16. [?] Дискуссионные вопросы и границы методики

1.Выбор \(E_{ur}^{ref}/E_{50}^{ref}\) для HS-модели. МГСУ-подход (3:1) vs Геореконструкция-подход (4-5:1). Какое соотношение брать как стандартное в справочнике. 2.Обязательность HSsmall для всех объектов в плотной застройке. Часть школ считает HS достаточным, часть требует HSsmall. 3.Принятие или отказ от расчёта в Undrained для строительного периода в глинах. Существуют споры по выбору типа Undrained (A, B, C) для разных типов глин. 4.Метод учёта эффекта установки шпунта (тиксотропный эффект в глинах). Отдельная фаза в расчёте или просто консервативные характеристики в зоне установки. 5.Применимость отечественных программ (ЛИРА-САПР, SCAD) как альтернативы PLAXIS в условиях санкционных ограничений 2022-2026. Эквивалентность по моделям грунта и постановкам. 6.Граница «обязательного» МКЭ. При какой глубине, какой геометрии, какой застройке считать МКЭ безусловно обязательным.

V.6.17. Литература к главе

1. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ.
2. Тер-Мартиросян А.З. Геомеханика. Численные методы в задачах механики грунтов. — М.: МГСУ.
3. Парамонов В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. — СПб.: СПбГАСУ.
4. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. — М.: Изд-во АСВ.
5. Шашкин А.Г. Расчёт геотехнических конструкций методом конечных элементов. — СПб.: ГРОТ.

6. Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И., Осокин А.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ.Зарубежные:

7. Brinkgreve R.B.J., Kumarswamy S., Swolfs W.M. PLAXIS Material Models Manual. — Delft: Bentley Systems.

8. Brinkgreve R.B.J. et al. PLAXIS 2D Reference Manual. — Delft: Bentley Systems.
9. Schweiger H.F. The role of advanced soil models in numerical analysis. — Graz: TU Graz.
10. Potts D.M., Zdravkovic L. Finite element analysis in geotechnical engineering. — London: Thomas Telford.
11. ICE Manual of Geotechnical Engineering. — London: ICE Publishing.
12. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. — Berlin: Ernst & Sohn (раздел применения МКЭ для шпунта).
13. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. — London: CIRIA.[В: финальная сверка библиографии по ГОСТ Р 7.0.5-2008 — на этапе подготовки полной редакции.]

Нормы: СП 248.1325800, СП 22.13330, СП 381.1325800, СП 47.13330, СП 305.1325800, СП 16.13330, ГОСТ 27772, ГОСТ 19281

V.7. Проверка стального сечения шпунта

После определения усилий в шпунтовой стенке (изгибающий момент, поперечная сила) методами глав V.2–V.6 выполняется проверка прочности и устойчивости стального сечения профиля Шпунта по СП 16.13330. Это завершающая проверка предельных состоя…

V.7.1. Задача

После определения усилий в шпунтовой стенке (изгибающий момент, поперечная сила) методами глав V.2–V.6 выполняется проверка прочности и устойчивости стального сечения профиля Шпунта по СП 16.13330. Это завершающая проверка предельных состояний (ПС) первой группы (ПС-1) в части материала конструкции.

Особенности проверки шпунтового сечения по сравнению с обычным прокатом: - сечение работает на изгиб в составе протяжённой стенки (расчёт на 1 пог. м); - U-профиль работает с редукцией момента сопротивления из-за проскальзывания в замке (если замки не сварены); - сечение подвержено коррозионному износу в течение срока службы — расчёт ведётся на остаточное сечение; - для постоянных сооружений учитывается циклика и усталость (гидротехника, причалы).

Глава излагает методику проверки сечения Шпунтовых профилей по нормативной базе РФ.

V.7.2. Нормативная база главы

• СП 16.13330 «Стальные конструкции» — основной документ: расчётные сопротивления (п. 6.1, табл. 2-3, с. 16), проверка прочности при изгибе (п. 8.2.1, форм. (41)-(42), с. 30-31), классы сечений (п. 4.2.7, с. 12), коэффициенты условий работы γ_c (п. 4.3.2-4.3.3, табл. 1, с. 13-14), местная устойчивость стенок балок (п. 8.5.1, с. 37). [Э: сверено с СП 16.13330.2017]
• СП 381.1325800 — общие требования к шпунтовым ограждениям; коэффициенты условий работы.
• СП 28.13330 — коррозионная агрессивность среды (для расчёта коррозионного износа — подробно глава VIII).
• ГОСТ 27772 / ГОСТ 19281 — марки стали, нормативные и расчётные сопротивления.
• технические условия производителя — характеристики Шпунтовых профилей (см. Приложение А).

V.7.3. Марки стали Шпунтовых профилей

Прокат шпунтовых свай выполняется из марок стали (см. Приложение А, табл. А.2):

Источник: ГОСТ 27772 / ГОСТ 19281 (марки стали, нормативные сопротивления); технические условия производителя (характеристики профилей, Приложение А). Марки серии S…GP — по EN 10248 (справочно, для импортного проката).

Расчётное сопротивление стали по растяжению, сжатию, изгибу:

Источник: СП 16.13330 п. 6.1, табл. 2, с. 16 (формула \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\)); Пособие по проектированию стальных конструкций (к СП 16). Марки стали и σ_т — ГОСТ 27772 / ГОСТ 19281.

где \(R_{yn}\) — нормативное сопротивление (≈ предел текучести σ_т); \(\gamma_m\) — коэффициент надёжности по материалу. По СП 16.13330, п. 6.1, табл. 3, с. 16: \(\gamma_m = 1{,}025\) — для проката при статистической процедуре контроля свойств; \(\gamma_m = 1{,}100\) — для проката без статистического контроля с пределом текучести свыше 380 Н/мм² и для горячедеформированных труб; \(\gamma_m = 1{,}050\) — для остального проката и труб, а также для проката, поставляемого по зарубежной нормативной документации. [Э: сверено с СП 16.13330.2017, табл. 3]

Для марки S355: \(R_y \approx 355 / 1{,}025 \approx 346\) МПа (ориентировочно; точное значение по СП 16 с учётом толщины проката — для толщин свыше 20 мм \(R_y\) снижается).

V.7.4. Проверка прочности при изгибе

V.7.4.1. Основное условие прочности

или, в эквивалентной форме:

Источник (обе формы условия): СП 16.13330 п. 8.2.1, форм. (41), с. 30 (расчёт на прочность балок 1-го класса при изгибе: \(M/(W_{n,min} R_y \gamma_c) \leq 1\)); СП 381.1325800 (коэффициенты условий работы шпунтовых ограждений); коэффициент надёжности по назначению γ_n — по ГОСТ 27751 (СП 16.13330 п. 4.3.2, с. 13 ссылается на ГОСТ 27751), также СП 20.13330. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СП 16). [Э: сверено с СП 16.13330.2017, форм. (41)]

где: - \(M_{max}\) — расчётный изгибающий момент на 1 пог. м стенки (из глав V.2–V.6), кН·м/м; - \(W_n\) — момент сопротивления сечения нетто (с учётом коррозионного износа и редукции замка), см³/м; - \(R_y\) — расчётное сопротивление стали, МПа; - \(\gamma_c\) — коэффициент условий работы; - \(\gamma_n\) — коэффициент надёжности по назначению.

V.7.4.2. Упругая или упругопластическая стадия

СП 16 допускает расчёт сечения: - в упругой стадии (по моменту сопротивления \(W\)) — консервативный, применяется для большинства шпунтовых ограждений; - в упругопластической стадии (с учётом частичного развития пластических деформаций, через коэффициент \(c_x > 1\)) — допускается для сечений 1-го класса, даёт экономию ~10-15%, но требует проверки на циклические нагрузки и осторожности при динамических воздействиях.

В практике шпунтовых ограждений по умолчанию применяется упругая стадия. Упругопластический расчёт — только при обосновании и для статически нагруженных временных сооружений.

V.7.4.3. Коэффициент условий работы γ_c

Принимается по СП 16 в зависимости от условий:

Источник: СП 16.13330 п. 4.3.2-4.3.3, табл. 1, с. 13-14 (коэффициенты условий работы γ_c) [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; СП 381.1325800 (условия работы шпунтовых ограждений). ВНИМАНИЕ: в СП 16 табл. 1 значения γ_c привязаны к ТИПУ элемента (балки сплошного сечения и сжатые элементы ферм перекрытий — 0,90; колонны — 0,87-1,05; растянутые элементы — 0,90; и т.д.; в случаях, не оговоренных таблицей, принимается γ_c = 1,0). Значения в таблице ниже — практико-ориентированные (привязка к среде/типу нагрузок для шпунтовых ограждений), а не прямые позиции табл. 1 СП 16; применять по обоснованию проектировщика. [В: значения γ_c для шпунта привязать к конкретным позициям табл. 1 СП 16 и СП 381 — по обоснованию.]

V.7.5. Редукция момента сопротивления U-профиля

V.7.5.1. Природа явления

U-профильная шпунтовая стенка работает не как монолитная балка, а как набор соединённых в замках свайных пар. В замках возможно проскальзывание, что снижает фактическую совместность работы сечения. Полный табличный момент сопротивления \(W\) (Приложение А) достигается только при отсутствии проскальзывания.

[!] Это критическая особенность U-профилей. Линейка Шпунта состоит только из U-профилей, поэтому редукция момента сопротивления \(\beta_B\) рассматривается всегда (значение \(\beta_B = 1{,}0\) принимается лишь при сварке замков по всей высоте).

V.7.5.2. Редукционный коэффициент

Источник: прямого аналога β_B в действующих СП РФ нет (см. п. V.7.12); методика — EAU 2020 (DGGT), Recommendation E48 — справочно. Привязка к практике РФ — по обоснованию проектировщика. [В: проверено по первоисточнику — в СП 381.1325800 положения о редукции момента сопротивления U-профиля НЕТ (упоминается лишь проскальзывание на контакте «сооружение-грунт» в численных моделях, п. 6.1.10); Будин А.Я. для сверки недоступен — не подтверждено.]

где \(\beta_B\) — редукционный коэффициент:

Источник: EAU 2020 (DGGT), Recommendation E48 (редукция момента сопротивления U-профилей) — справочно; прямого норматива РФ нет [В: не подтверждено — эквивалента β_B в СП 381.1325800 нет (проверено); пособие НИИОСП им. Герсеванова для сверки недоступен]. Значения β_B в таблице — ориентировочные, до верификации применять консервативно.

V.7.5.3. Способы повышения β_B

• Сварка замков по всей высоте или участками — даёт \(\beta_B = 1{,}0\), но удорожает работы и снижает оборачиваемость при аренде.
• Применение трубошпунта или комбинированных стен для ответственных объектов — каждая труба работает независимо.

[Э] Замечание экспертизы: для U-профилей при отсутствии сварки замков экспертиза требует обоснования принятого \(\beta_B\) с привязкой к грунтовым условиям. Применение \(\beta_B = 1{,}0\) для несваренного U-профиля в водонасыщенных грунтах — типовая ошибка, заворачиваемая экспертизой.

V.7.6. Учёт коррозионного износа

V.7.6.1. Принцип

Для сооружений со сроком службы более 1-2 лет (особенно постоянных) расчётное сечение принимается с учётом коррозионного уменьшения толщины за расчётный срок службы. Подробная методика расчёта коррозионного износа — глава VIII; здесь — только влияние на проверку сечения.

Остаточная толщина элемента:

Источник: СП 28.13330 (коррозионная агрессивность среды, расчётный коррозионный износ) [В: не подтверждено в этой сверке — точные пункты СП 28 верифицируются в главе VIII]; ГОСТ 9.602; СП 381.1325800 (гидротехнические условия). Подробная методика — глава VIII.

где \(\Delta t_{корр}\) — суммарный коррозионный износ за срок службы (двусторонний, если коррозия с обеих сторон), мм.

Момент сопротивления пересчитывается на остаточное сечение: \(W_{ост} < W_{табл}\). Уменьшение нелинейное (момент сопротивления зависит от толщины полки и стенки квадратично-кубически в зависимости от геометрии профиля).

V.7.6.2. Категории коррозионной агрессивности

По СП 28.13330 — категории среды (низкая, средняя, повышенная, высокая, весьма высокая). Типовые скорости коррозии:

Источник: СП 28.13330 (категории агрессивности — Приложения А-В); ГОСТ 9.602; СП 381.1325800 (гидротехнические зоны). Значения скоростей коррозии — ориентировочные. [В: значения скоростей коррозии не подтверждены в этой сверке — верифицируются в главе VIII по СП 28 / ГОСТ 9.602 / СП 381.]

V.7.6.3. Пример влияния коррозии на сечение

Профиль 622Т (толщина полки \(t_0 = 14{,}0\) мм, стенки \(s_0 = 9{,}1\) мм, \(W_0 = 2\,206\) см³/м). Постоянное сооружение, срок службы 50 лет, обводнённый грунт (двусторонняя коррозия 0,025 мм/год):

Источник: СП 28.13330 (скорость коррозии для обводнённого грунта) [В: не подтверждено в этой сверке — методика и значения верифицируются в главе VIII]; пример условный.

Остаточная толщина полки ≈ 14,0 − 2,5 = 11,5 мм. Момент сопротивления уменьшается примерно пропорционально (приближённо для оценки) — точный пересчёт по геометрии профиля даёт \(W_{ост} \approx 1\,750-1\,850\) см³/м (снижение ~17-20%).

[!] Для постоянных сооружений коррозионный износ может определять выбор профиля. Шпунт, проходящий по моменту в начальном состоянии, через 30-50 лет может его не пройти. Расчёт ведётся на остаточное сечение в конце срока службы.

V.7.7. Проверка на поперечную силу

В большинстве случаев для шпунтовых ограждений изгибающий момент — определяющий, а поперечная сила не критична. Но проверка обязательна:

Источник: СП 16.13330 п. 8.2.1, форм. (42), с. 30-31 (проверка прочности при поперечной силе: \(Q S/(I t_w R_s \gamma_c) \leq 1\)); расчётное сопротивление сдвигу \(R_s = 0{,}58 R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2, с. 16 [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; формула касательных напряжений Журавского — Пособие по проектированию стальных конструкций (к СП 16).

где: - \(Q_{max}\) — максимальная поперечная сила, кН/м; - \(S\) — статический момент полусечения; - \(I\) — момент инерции сечения; - \(t_w\) — толщина стенки профиля; - \(R_s\) — расчётное сопротивление сдвигу (\(R_s \approx 0{,}58 R_y\)).

Поперечная сила становится критической в зонах сосредоточенной передачи усилий: узлы крепления анкеров, опирания распорок, обвязочные пояса. В этих зонах — отдельная проверка местной прочности (глава VI).

V.7.8. Проверка местной устойчивости

Для тонкостенных профилей (особенно лёгкой серии — 616, 618) проверяется местная устойчивость стенки и полки при сжатии от изгиба по СП 16.13330. Условная гибкость стенки:

Источник: СП 16.13330 п. 8.5.1, с. 37 (устойчивость стенок балок 1-го класса: условная гибкость \(\overline{\lambda}_w = (h_{ef}/t_w)\sqrt{R_y/E}\); предельные значения \(\overline{\lambda}_{uw}\) = 3,5 при отсутствии местного напряжения в балках с двусторонними поясными швами, 3,2 — с односторонними, 2,5 — при наличии местного напряжения) [Э: сверено с СП 16.13330.2017]; для внецентренно-сжатых элементов — п. 9.4.2, табл. 22, с. 51-52. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СП 16).

Если условная гибкость превышает предельное значение по СП 16 — учитывается редукция несущей способности либо ставится требование увеличения толщины (переход на более тяжёлый профиль).

Для основной линейки Шпунта в типовых условиях местная устойчивость обеспечена (профили подобраны производителем с учётом этого требования), но для больших пролётов между опорами и при работе по упругопластической схеме — проверка обязательна.

V.7.9. Численный пример: проверка сечения [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Исходные данные

Из примера главы V.4 (анкерное ограждение, котлован 9,5 м): - \(M_{max} = 235\) кН·м/м; - Шпунт 622Т (\(W_{табл} = 2\,206\) см³/м); - марка стали S355GP (\(R_{yn} = 355\) МПа); - временное сооружение, срок службы 18 месяцев (коррозия пренебрежимо мала); - замки не сварены, грунт — пески средней крупности (плотные в зоне работы стенки); - категория ответственности КС-2, \(\gamma_n = 1{,}1\) (рядом здание категории II).

Шаг 1. Расчётное сопротивление стали

Шаг 2. Редукция момента сопротивления

U-профиль, замки не сварены, плотные пески → \(\beta_B = 0{,}85\):

Шаг 3. Коррозионный износ

Срок службы 18 месяцев → \(\Delta t_{корр} \approx 0\) (пренебрегаем). \(W_{ост} = W_{расч} = 1\,875\) см³/м.

Шаг 4. Коэффициент условий работы

Типовое временное ограждение, неагрессивная среда → \(\gamma_c = 0{,}95\).

Шаг 5. Проверка прочности

Допустимый момент: $\(M_{доп} = \frac{W_{расч} \cdot R_y \cdot \gamma_c}{\gamma_n} = \frac{1\,875 \times 10^{-6} \cdot 346 \times 10^3 \cdot 0{,}95}{1{,}1} \approx 560 \text{ кН·м/м}\)$

Условие: $\(M_{max} = 235 \leq M_{доп} = 560 \quad \Rightarrow \quad \text{коэффициент использования } 235/560 = 0{,}42\)$

Сечение проходит с запасом 2,4 раза. Профиль 622Т выбран по технологичности (унификация на объекте), а не по прочности — что типично для котлованов глубиной до 10 м (см. также примечание в главе V.4).

Шаг 6. Проверка поперечной силы

При \(Q_{max} \approx 180\) кН/м (из расчёта V.4) проверка на сдвиг даёт коэффициент использования < 0,2 — не критично.

Итог

V.7.10. [!] Особенности проверки сечения

1. Редукция момента сопротивления U-профиля — обязательна при несваренных замках. Применение \(W_{табл}\) без \(\beta_B\) для несваренного U-профиля — методическая ошибка, завышающая несущую способность на 15-50%.

2. Расчёт постоянных сооружений — на остаточное сечение. Коррозионный износ за 30-50 лет может снизить \(W\) на 15-25%. Профиль подбирается по сечению в конце срока службы.

3. Толщина проката влияет на R_y. Для толстых профилей (полка > 20 мм, например 632 с t = 19 мм — на границе) расчётное сопротивление по СП 16 может быть снижено. Проверять по таблице СП 16 для фактической толщины.

4. Упругопластический расчёт — только с обоснованием. По умолчанию — упругая стадия. Упругопластика даёт экономию, но недопустима при циклических и динамических нагрузках (гидротехника, причалы, сейсмика).

5. Локальные зоны передачи усилий — отдельная проверка. В местах крепления анкеров, опирания распорок, обвязочных поясов — проверка местной прочности и устойчивости стенки шпунта (глава VI).

6. Двутавровая работа комбинированной стены. Для комбинированных стен (трубошпунт + плоский шпунт) проверка ведётся для каждого элемента отдельно с учётом распределения момента между «несущими» трубами и «заполняющим» плоским шпунтом.

V.7.11. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не учтена редукция момента сопротивления U-профиля.»

Что делать: в пояснительной записке отдельный пункт с обоснованием принятого \(\beta_B\) (тип профиля, наличие/отсутствие сварки замков, грунтовые условия). Для U-профиля без сварки замков \(\beta_B < 1{,}0\) обязателен.

Замечание 2. «Не учтён коррозионный износ для постоянного сооружения.»

Что делать: расчёт остаточного сечения на конец срока службы (глава VIII), проверка прочности по \(W_{ост}\).

Замечание 3. «Не указана марка стали и расчётное сопротивление.»

Что делать: указать марку стали по ТУ / ГОСТ 27772, нормативное и расчётное сопротивление с учётом толщины проката и γ_m.

Замечание 4. «Не обоснован коэффициент условий работы γ_c.»

Что делать: обоснование γ_c с привязкой к условиям эксплуатации (среда, тип нагрузок, временное/постоянное сооружение) по СП 16 и СП 381.

Замечание 5. «Применён упругопластический расчёт без обоснования.»

Что делать: либо перейти на упругий расчёт, либо обосновать применимость упругопластического (статическая нагрузка, отсутствие циклики, класс сечения по СП 16).

V.7.12. [?] Дискуссионные вопросы

1. Нормативный статус редукционного коэффициента β_B в РФ. Методика β_B широко применяется в международной практике (EAU 2020), но прямого аналога в действующих СП РФ нет. До нормативного закрепления применяется по обоснованию проектировщика, консервативно.

2. Учёт неравномерности коррозии. Реальный коррозионный износ неравномерен (зона переменного смачивания корродирует в разы быстрее зоны постоянного погружения). Расчёт «по средней скорости» может недооценивать локальное ослабление сечения в критической зоне.

3. Применимость упругопластического расчёта для шпунта. В мировой практике (EN 1993-5) упругопластический расчёт шпунта стандартен; в российской практике применяется осторожно. Граница применимости — на решение проектировщика.

Если возникают вопросы: - по выбору редукционного коэффициента β_B для конкретных грунтовых условий; - по расчёту остаточного сечения для постоянного / гидротехнического сооружения; - по подбору U-профиля Шпунта для ответственного объекта; - по проверке местной устойчивости для большепролётной стенки;

— проектировщик консультирует бесплатно и предоставляет точные геометрические характеристики сечений всех Шпунтовых профилей для расчёта.

V.7.14. Литература к главе

1. СП 16.13330. Стальные конструкции. — М.: Минстрой России.
2. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
3. СП 28.13330. Защита строительных конструкций от коррозии.
4. ГОСТ 27772. Прокат для строительных стальных конструкций.
5. ГОСТ 19281. Прокат повышенной прочности.
6. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. — Л.: Стройиздат.
7. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СП 16).

Зарубежные (справочно): 8. EN 1993-5. Eurocode 3: Design of steel structures — Part 5: Piling. 9. EAU 2020 (DGGT), Recommendation E48 — редукция момента сопротивления U-профилей. 10. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 16.13330, СП 381.1325800, СП 28.13330, ГОСТ 27772, ГОСТ 19281, ГОСТ 27751, СП 20.13330, ГОСТ 9.602

V.8. Устойчивость дна котлована и общая устойчивость

Прочность шпунтовой стенки (глава V.7) и достаточная глубина заделки (главы V.2–V.4) не гарантируют безопасность котлована. Котлован может разрушиться не по стенке, а по грунту:

V.8.1. Задача

Прочность шпунтовой стенки (глава V.7) и достаточная глубина заделки (главы V.2–V.4) не гарантируют безопасность котлована. Котлован может разрушиться не по стенке, а по грунту:

• выпор грунта в дно котлована (потеря устойчивости основания при недостаточной заделке в слабых грунтах);
• наплыв (выдавливание) дна котлована из-за разницы пригрузок снаружи и внутри;
• фильтрационное разрушение дна (суффозия, гидравлический прорыв, разжижение) при уровне подземных вод (УПВ) выше дна котлована;
• общая потеря устойчивости массива грунта по глубокой линии скольжения, охватывающей шпунт целиком (особенно для анкерных схем — метод Кранца, см. также главу V.4).

Эти проверки относятся к группе предельных состояний (ПС) ПС-1 и часто оказываются определяющими для обводнённых грунтов и слабых оснований — при том, что в типовом расчёте их нередко пропускают.

Глава излагает методику проверок устойчивости дна котлована и общей устойчивости по нормативной базе РФ.

V.8.2. Нормативная база главы

• СП 381.1325800 — проверки устойчивости подпорных сооружений и грунтового массива (п. 11.2.5–11.2.8, форм. (11.1), с. 74; коэффициент устойчивости \(k_{st} \geq [k_{st}]\), методы предельного равновесия и снижения прочности).
• СП 45.13330 — устойчивость дна котлована, меры против суффозии и выпора грунта основания (п. 11.23, с. 54), требования к водопонижению (п. 5.1–5.8, с. 15–17).
• СП 22.13330 — расчёт устойчивости оснований по несущей способности (п. 5.7.1–5.7.8, с. 59–62), фильтрационная устойчивость дна котлована (п. 9.25–9.30, с. 168–171).
• СП 248.1325800 — для глубоких котлованов и подземных сооружений; предельные состояния HYD (гидравлический подъём, внутренняя суффозия), UPL (всплытие), GEO (п. 7.2.2, с. 22–23).
• СП 23.13330 «Основания гидротехнических сооружений» — фильтрационные расчёты для гидротехнических объектов.

Пособия и монографии: - Цытович Н.А. Механика грунтов. - Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. - Будин А.Я. Городские и портовые набережные. - Пособие по проектированию подпорных сооружений (НИИОСП).

V.8.3. Выпор грунта в дно котлована

V.8.3.1. Физика явления

При откопке котлована грунт перед стенкой (в дне котлована) разгружается, а грунт за стенкой давит с активным давлением. Если заделка шпунта недостаточна или грунт основания слаб, происходит выдавливание грунта снизу вверх в котлован с подъёмом дна и обрушением стенки. Особенно опасно в мягких глинах и илах.

V.8.3.2. Проверка для связных грунтов (по схеме Терцаги–Пека / СП)

Условие устойчивости от выпора (упрощённая схема для однородного связного грунта):

Источник: СП 45.13330 (меры против выпора грунта основания при разработке котлована в водонасыщенных грунтах — п. 11.23, с. 54) + СП 22.13330 (расчёт оснований по несущей способности / устойчивости — п. 5.7.1, с. 59–60); Цытович Н.А., Механика грунтов (выпор связного основания); схема Терцаги–Пека и значение \(N_c\) — справочно. [В: значение \(N_c\) для котлована — не подтверждено (схема Терцаги–Пека, в СП РФ числовой \(N_c\) для выпора дна не нормируется напрямую).]

где: - \(c_u\) — недренированная прочность грунта основания, кПа; - \(N_c\) — коэффициент несущей способности (для глубокого котлована \(N_c \approx 5{,}7–7{,}5\) в зависимости от геометрии); - \(\gamma\) — удельный вес грунта за стенкой, кН/м³; - \(H\) — глубина котлована, м; - \(q\) — пригрузка на бровке, кПа; - \(\gamma_n\) — требуемый коэффициент надёжности (обычно 1,2–1,5).

[В: \(N_c\) для выпора дна — не подтверждено (числовой коэффициент несущей способности по схеме Терцаги–Пека, в СП РФ для выпора дна напрямую не нормируется).] Расчёт оснований по несущей способности — СП 22.13330 п. 5.7.1–5.7.8, с. 59–62 (поиск опасной поверхности скольжения, равенство сдвигающих и удерживающих сил).

Если условие не выполняется: - увеличить глубину заделки шпунта (перехват слабого слоя, опирание в прочный грунт ниже); - устройство грунтовой пробки / закрепление грунта основания; - снижение пригрузки на бровке; - послойная откопка с распоркой/анкером ближе к дну.

V.8.3.3. Проверка для несвязных грунтов

Для песков выпор в чистом виде менее характерен; критичнее фильтрационное разрушение (см. V.8.5). Проверка устойчивости основания от выпора для песков выполняется в составе расчёта общей устойчивости (V.8.6) либо в методе конечных элементов (МКЭ).

V.8.4. Наплыв (выдавливание) дна котлована

Наплыв возникает при значительной разнице пригрузок: грунт за стенкой (плюс пригрузка) давит и выдавливает грунт дна котлована в выработку, поднимая его. Характерен для слабых водонасыщенных глин при глубоких котлованах в плотной застройке (пригрузка от соседних зданий).

Проверка аналогична выпору (V.8.3) с учётом фактической пригрузки от существующих зданий и сооружений. Для ответственных объектов — обязательный расчёт в МКЭ с моделью Soft Soil / Hardening Soil (глава V.6), позволяющей корректно учесть разгрузку и поднятие дна.

V.8.5. Фильтрационная устойчивость дна котлована

V.8.5.1. Когда проверка обязательна

При УПВ выше дна котлована и шпунте, прорезающем водоносный горизонт, вода фильтрует под нижней кромкой шпунта из-за стенки в котлован. Восходящий фильтрационный поток в дне котлована снижает эффективное напряжение грунта вплоть до нуля — грунт «вскипает».

Это критическая проверка для обводнённых песков. Её пропуск — частая причина аварий (см. также главу XI).

V.8.5.2. Формы фильтрационного разрушения

Источник: СП 22.13330 (гидравлическое разрушение водонасыщенного грунта при восходящей фильтрации, сопровождаемое суффозией — п. 9.30, форм. (9.17), с. 170–171; оценка возможности проявления суффозионных процессов — п. 5.4.14, с. 36); СП 23.13330 (местная фильтрационная прочность при выходе потока в дно котлована, контактная суффозия — п. 8.5, с. 34; выпор грунта при градиентах, близких к единице, и защита обратным фильтром — п. 8.15, с. 36); ГОСТ 25100 (классификация грунтов); Цытович Н.А., Механика грунтов. [Э: формы фильтрационного разрушения сверены с СП 22 п. 9.30 и СП 23 п. 8.5, 8.15.]

V.8.5.3. Проверка по критическому градиенту

Условие устойчивости (метод Терцаги для гидравлического выпора):

где: - \(i_{кр} = \dfrac{\gamma'}{\gamma_w} = \dfrac{\gamma_{sat} - \gamma_w}{\gamma_w}\) — критический гидравлический градиент (для типовых песков \(i_{кр} \approx 0{,}9–1{,}1\)); - \(i_{факт}\) — фактический восходящий градиент в дне котлована (определяется из решения фильтрационной задачи); - \(\gamma_n\) — требуемый коэффициент запаса. [Э: по СП 22.13330 п. 9.30 (форм. 9.17), с. 170–171 коэффициент надёжности по нагрузке \(\gamma_f = 1{,}2\) для условия \(\gamma_f \cdot i \leq i_{кр}\); значения 1,5–2,0 — повышенный запас инженерной практики для ответственных объектов, нормами напрямую не установлены.]

Источник: СП 22.13330 (исключение гидравлического разрушения водонасыщенного грунта с суффозией при восходящей фильтрации в котловане — п. 9.30, форм. (9.17), с. 170–171, \(\gamma_f = 1{,}2\); учёт фильтрационных сил в боковом давлении — п. 9.25, форм. (9.13), с. 168–170) и СП 23.13330 (расчётные критические градиенты напора по видам грунта — п. 5.31, табл. 3, с. 20–21; оценка фильтрационной прочности сопоставлением фактических и критических градиентов — п. 8.4, с. 34); СП 45.13330 (устойчивость дна котлована, водопонижение — п. 11.23, с. 54); Цытович Н.А., Механика грунтов (вывод \(i_{кр}=\gamma'/\gamma_w\) — справочно); метод Терцаги — справочно. [Э: критический градиент и коэффициент \(\gamma_f = 1{,}2\) сверены с СП 22 п. 9.30 и СП 23 п. 5.31, табл. 3.]

Фактический градиент \(i_{факт}\) определяется: - построением гидродинамической сетки (для простых случаев); - численным решением фильтрационной задачи в МКЭ (PLAXIS, GEO5 — для сложных случаев, слоистых разрезов, водопонижения).

V.8.5.4. Меры обеспечения фильтрационной устойчивости

1. Увеличение заглубления шпунта ниже дна котлована — удлиняет путь фильтрации, снижает градиент. Самое распространённое решение.
2. Водопонижение внутри/снаружи котлована (иглофильтры, скважины) — снижает напор и градиент.
3. Заглубление шпунта в водоупор — перехват фильтрации (наиболее надёжно при наличии водоупора на досягаемой глубине).
4. Пригруз дна котлована (обратный фильтр, бетонная подготовка) — повышает противодавление.
5. Закрепление грунта (струйная цементация, jet-grouting) — создание противофильтрационной завесы / тампонажной плиты.

[!] Это часто определяющая проверка. В обводнённых песках Санкт-Петербурга, поймах рек, прибрежных зонах требуемая глубина заделки шпунта определяется не прочностью и не устойчивостью положения, а фильтрационной устойчивостью дна. Расчёт «по моменту» без проверки фильтрации даёт опасно заниженную длину шпунта.

V.8.6. Общая устойчивость грунтового массива

V.8.6.1. Природа

Котлован со шпунтовым ограждением может потерять устойчивость по глубокой круглоцилиндрической (или сложной) линии скольжения, охватывающей весь шпунт и часть массива за ним. Грунтовый массив «соскальзывает» в котлован вместе со стенкой и анкерами.

Для анкерных ограждений это проверяется методом Кранца (детально — глава V.4.7). Для всех схем — расчёт общей устойчивости методами теории предельного равновесия.

V.8.6.2. Методы расчёта

Источник: СП 22.13330 (расчёт оснований по несущей способности методами теории предельного равновесия с поиском наиболее опасной поверхности скольжения — круглоцилиндрической, ломаной, логарифмической спирали — п. 5.7.7, с. 61) и СП 381.1325800 (коэффициент устойчивости методами предельного равновесия и снижения прочности — п. 11.2.6–11.2.8, с. 74); Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г., Механика грунтов (методы круглоцилиндрических поверхностей скольжения); Снитко Н.К., Статика сооружений [В: не подтверждено — в первоисточниках отсутствует]. [Э: состав проверок общей устойчивости сверен с СП 22 п. 5.7.7 и СП 381 п. 11.2.6.]

V.8.6.3. Условие устойчивости

где \(M_{удерж}\) — момент удерживающих сил (сопротивление сдвигу по линии скольжения, реакции анкеров/распорок), \(M_{сдвиг}\) — момент сдвигающих сил (вес массива, пригрузки). По СП 381.1325800 это записывается через коэффициент устойчивости: \(k_{st} \geq [k_{st}]\) (форм. 11.1), где \([k_{st}]\) — нормированное допустимое значение по СП 116.13330. [Э: условие устойчивости сверено с СП 381 п. 11.2.5, форм. (11.1), с. 74; требуемое \([k_{st}]\) — по СП 116.13330 (вне первоисточников).]

Источник: СП 22.13330 (устойчивость оснований по поверхностям скольжения — п. 5.7.7, с. 61) + СП 381.1325800 (коэффициент устойчивости \(k_{st} \geq [k_{st}]\) как минимум по всем поверхностям скольжения — п. 11.2.5, форм. (11.1), с. 74); Цытович Н.А., Механика грунтов; Будин А.Я., Городские и портовые набережные [В: не подтверждено — Будин в первоисточниках отсутствует]. [Э: условие и поиск минимального \(k_{st}\) сверены с СП 381 п. 11.2.5.]

V.8.6.4. Программный расчёт

Для ответственных объектов и слоистых разрезов общая устойчивость рассчитывается в программах устойчивости откоса (GEO5 Stability, SLOPE/W, PLAXIS Safety) на множестве возможных линий скольжения с поиском критической (минимальный \(F_s\)). Расчёт на единственной априорной линии скольжения (классический Кранц) для сложного разреза может не выявить критическую поверхность.

V.8.7. Численный пример: фильтрационная устойчивость [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Исходные данные

Котлован H = 6,0 м в обводнённых песках (условный объект, тип — пойменная зона). - Грунт: песок средней крупности, \(\gamma_{sat} = 20\) кН/м³, \(\varphi = 30°\). - УПВ снаружи — на уровне поверхности (0,0 м). - Внутри котлована — водопонижение до уровня дна (−6,0 м). - Шпунт 622Т заглублён на \(t\) ниже дна (определяется проверкой). - \(\gamma_w = 10\) кН/м³.

Шаг 1. Критический градиент

Источник: СП 22.13330 (условие против гидравлического разрушения при восходящей фильтрации — п. 9.30, форм. (9.17), с. 170–171) / СП 23.13330 (расчётные критические градиенты напора по видам грунта, для песка средней крупности \(i_{сr,m} = 0{,}42\) — п. 5.31, табл. 3, с. 20–21); Цытович Н.А., Механика грунтов (вывод \(i_{кр}=\gamma'/\gamma_w\) — справочно). [Э: вывод \(i_{кр}=\gamma'/\gamma_w\) — для условия «вскипания» (равенство фильтрационного и взвешивающего давления); по СП 23 табл. 3 для дренированного основания нормируемый осреднённый критический градиент песка существенно ниже единицы — использовать табличное значение для нормативной проверки.]

Шаг 2. Перепад напора

Разница уровней воды снаружи (0,0 м) и в дне котлована (−6,0 м): $\(\Delta H = 6{,}0 \text{ м}\)$

Шаг 3. Путь фильтрации (упрощённо)

Вода фильтрует от поверхности снаружи вниз вдоль тыльной стороны шпунта (длина \(H + t\)), огибает низ шпунта и поднимается в дне котлована (длина \(t\)). Упрощённая длина пути фильтрации: $\(L_ф \approx (H + t) + t = H + 2t\)$

Средний градиент: $\(i_{ср} = \frac{\Delta H}{L_ф} = \frac{6{,}0}{6{,}0 + 2t}\)$

Восходящий градиент в дне (на участке подъёма длиной \(t\)) приближённо: $\(i_{восх} \approx \frac{\Delta H_{восх}}{t}\)$

где \(\Delta H_{восх}\) — потеря напора на восходящем участке. Для упрощённой симметричной оценки \(\Delta H_{восх} \approx \Delta H \cdot \dfrac{t}{H + 2t}\), откуда:

Шаг 4. Условие устойчивости

Требуемый запас \(\gamma_n = 1{,}5\):

Это упрощённая инженерная оценка для понимания принципа. Точный расчёт восходящего градиента выполняется построением гидродинамической сетки или в МКЭ (PLAXIS Groundwater flow). Реальная требуемая заделка по фильтрации обычно больше упрощённой оценки в 1,5–2 раза.

Шаг 5. Сравнение с другими проверками

Определяющей оказывается фильтрационная устойчивость (по уточнённому МКЭ-расчёту). Это типичная ситуация для обводнённых песков. Принимается заделка по результату наиболее жёсткой проверки + запас по СП.

V.8.8. [!] Особенности проверок устойчивости

1. Фильтрационная устойчивость — отдельная обязательная проверка при УПВ выше дна. Её пропуск — частая причина реальных аварий (внезапный прорыв воды и грунта в котлован). Проверка не заменяется расчётом «по моменту».

2. Упрощённые формулы дают ориентир, не финальный результат. Для ответственных объектов фильтрация рассчитывается в МКЭ с построением поля напоров и градиентов. Слоистые разрезы и водопонижение упрощёнными методами считать нельзя.

3. Выпор и наплыв критичны в слабых глинах. Для мягких водонасыщенных глин (морены СПб, илы) проверка устойчивости основания от выпора часто определяет требуемую заделку и схему ограждения.

4. Общая устойчивость для анкерных схем — метод Кранца + программный расчёт. Классический Кранц на одной линии скольжения может пропустить критическую поверхность в слоистом разрезе. Для ответственных объектов — расчёт в программе устойчивости на множестве поверхностей.

5. Водопонижение меняет всю картину. Снижение УПВ внутри котлована увеличивает фильтрационные градиенты, но снижает гидростатическое давление на стенку. Эффект разнонаправленный — требуется совместный расчёт «фильтрация + механика» (coupled analysis в МКЭ).

6. Закрепление грунта (jet-grouting) — мощное, но дорогое решение. Тампонажная плита в дне котлована решает и фильтрацию, и выпор, но существенно удорожает проект. Применяется когда увеличение заделки шпунта невозможно (нет водоупора, ограничение по длине шпунта).

7. Суффозия — медленный скрытый процесс. В отличие от мгновенного гидравлического прорыва, суффозия развивается постепенно (вынос частиц, образование каналов). Выявляется мониторингом (помутнение откачиваемой воды, локальные просадки). Регламент реагирования — глава IX.

V.8.9. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не выполнена проверка фильтрационной устойчивости дна котлована.»

Что делать: при УПВ выше дна котлована — обязательный расчёт фильтрационной устойчивости (критический градиент, фактический градиент из фильтрационной задачи, коэффициент запаса). Для обводнённых песков — расчёт в МКЭ.

Замечание 2. «Не выполнена проверка устойчивости основания от выпора.»

Что делать: для котлованов в связных грунтах (особенно слабых) — расчёт устойчивости от выпора по схеме Терцаги/СП с указанием \(c_u\), \(N_c\), коэффициента запаса.

Замечание 3. «Не выполнен расчёт общей устойчивости.»

Что делать: расчёт общей устойчивости массива (метод Бишопа / Кранца / МКЭ) с указанием критической линии скольжения и коэффициента запаса. Для анкерных схем — обязательно метод Кранца (глава V.4.7).

Замечание 4. «Расчёт фильтрации выполнен по упрощённой формуле для сложного слоистого разреза.»

Что делать: для слоистых разрезов и схем с водопонижением — расчёт фильтрации в МКЭ (поле напоров, градиентов), упрощённые формулы недопустимы.

Замечание 5. «Не учтено водопонижение в расчёте устойчивости дна.»

Что делать: совместный расчёт «фильтрация + устойчивость» с учётом проектной схемы водопонижения; проверка на стадии до выхода водопонижения на режим.

V.8.10. [?] Дискуссионные вопросы

1. Требуемый коэффициент запаса фильтрационной устойчивости. В различных источниках 1,5–2,0. Зависит от ответственности объекта и точности определения фильтрационных характеристик. На решение проектировщика с обоснованием.

2. Учёт анизотропии фильтрации. Реальная водопроницаемость грунта анизотропна (горизонтальная больше вертикальной в 2–10 раз). Изотропная фильтрационная модель может недооценивать восходящий градиент в дне. Для ответственных объектов — учёт анизотропии в МКЭ.

3. Граница применимости упрощённых методов для общей устойчивости. Метод Бишопа предполагает круглоцилиндрическую поверхность; для слоистых разрезов со слабыми прослойками реальная поверхность некруглая (методы Янбу, Моргенштерна–Прайса, МКЭ).

Если проектируете ограждение: - в обводнённых песках с УПВ выше дна котлована; - в слабых водонасыщенных глинах (риск выпора/наплыва); - со схемой водопонижения; - в пойменной / прибрежной зоне; - с заглублением в водоупор или тампонажной плитой;

— проектировщик выполнит предварительную проверку фильтрационной устойчивости и устойчивости дна бесплатно, с рекомендацией требуемой заделки шпунта и схемы водозащиты.

V.8.12. Литература к главе

1. СП 45.13330. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
2. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
3. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
4. СП 23.13330. Основания гидротехнических сооружений.
5. Цытович Н.А. Механика грунтов. — М.: Высшая школа.
6. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. — М.: МГСУ.
7. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника.
8. Пособие по проектированию подпорных сооружений (к СП 381). — М.: НИИОСП.

Зарубежные (справочно): 9. Terzaghi K., Peck R.B., Mesri G. Soil Mechanics in Engineering Practice. — Wiley. 10. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 11. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. 12. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 381.1325800, СП 45.13330, СП 22.13330, СП 248.1325800, СП 23.13330, ГОСТ 25100, СП 116.13330

V.9. Прогноз деформаций и оценка влияния на окружающую застройку

Расчёт по предельным состояниям (ПС) первой группы (ПС-1) (главы V.7, V.8) гарантирует, что котлован не разрушится. Но в условиях городской застройки этого недостаточно: котлован, безупречный по прочности и устойчивости, может вызвать недоп…

V.9.1. Задача

Расчёт по предельным состояниям (ПС) первой группы (ПС-1) (главы V.7, V.8) гарантирует, что котлован не разрушится. Но в условиях городской застройки этого недостаточно: котлован, безупречный по прочности и устойчивости, может вызвать недопустимые деформации соседних зданий — трещины, перекосы, в тяжёлых случаях аварийное состояние существующих конструкций.

Расчёт по предельным состояниям второй группы (ПС-2) в части влияния на застройку отвечает на вопросы: - какова прогнозируемая деформация шпунтовой стенки; - какова зона влияния котлована; - какие здания и сооружения попадают в зону влияния; - каковы прогнозируемые дополнительные осадки и крены этих зданий; - допустимы ли они для фактической категории технического состояния зданий.

Это ключевой расчёт для городского строительства, определяющий выбор схемы ограждения, профиля, технологии и программы мониторинга.

V.9.2. Нормативная база главы

• СП 22.13330 — основной документ: зона влияния (п. 9.33–9.36, с. 172–175), категории технического состояния зданий (прил. Д, табл. Д.1, с. 211–214), предельно допустимые дополнительные деформации существующих зданий окружающей застройки (прил. К, табл. К.1, с. 218–224).
• СП 381.1325800 — предельные деформации шпунтовых ограждений.
• СП 248.1325800 — деформации при подземном строительстве.
• ГОСТ 31937 — обследование и категории технического состояния зданий.
• СП 305.1325800 — геотехнический мониторинг (контроль фактических деформаций — глава IX); определение зоны влияния — п. 3.1, с. 6 (со ссылкой на СП 22.13330 п. 3.16).

Пособия и монографии: - Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. - Тер-Мартиросян З.Г. Реконструкция и усиление оснований и фундаментов. - Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. - Пособие по обследованию и мониторингу зданий (НИИОСП).

V.9.3. Зона влияния котлована

V.9.3.1. Определение

Зона влияния — область вокруг котлована, в пределах которой дополнительные деформации грунта (и расположенных на нём зданий) превышают пренебрежимо малую величину. По СП 22.13330 радиус зоны влияния допускается ограничивать расстоянием, при котором расчётная дополнительная осадка грунтового массива или основания существующего сооружения не превышает 1 мм (исключение — границы со зданиями категории IV — аварийной) — п. 9.34, прим. 2, с. 173. Зона интенсивных деформаций — где перемещения в массиве превышают 10 мм (п. 9.34, прим. 3, с. 173).

Ориентировочный размер зоны влияния:

где \(k\) — коэффициент, зависящий от грунтов и схемы ограждения:

Источник: СП 22.13330 (предварительное назначение зоны влияния — п. 9.36, с. 174–175: ориентировочный радиус принимается равным 5Hₖ при анкерном креплении, но не более 2L; 4Hₖ при консольном/распорном креплении из стальных элементов или в естественных откосах; 3Hₖ — монолитная ж/б «стена в грунте» с консольным/распорным креплением; 2Hₖ — «стена в грунте» с экскавацией под защитой перекрытий). [Э: сверено с СП 22.13330 п. 9.36 — нормативные коэффициенты заданы кратностью глубины котлована Hₖ (2–5), а не через (H + t); приведённые в таблице значения \(k\) — инженерное обобщение по схеме (H + t): Улицкий, Шашкин, Шашкин «Геотехническое сопровождение реконструкции городов»; Мангушев, Карлов, Сахаров «Механика грунтов»].

Примечание по методике: нормативная привязка зоны влияния по СП 22.13330 даётся к глубине котлована \(H_к\) (п. 9.36, с. 174–175). Приведённая выше формула \(L_{вл} = k\cdot(H+t)\) — упрощённое инженерное представление через полную высоту стенки (заглубление \(t\) обычно соизмеримо с долей \(H\)); для проектного назначения зоны влияния следует применять кратность \(H_к\) по п. 9.36, а окончательную границу определять расчётом (п. 9.34).

Точная зона влияния определяется расчётом методом конечных элементов (МКЭ) (граница, где дополнительная осадка падает до нормативного порога).

V.9.3.2. Здания в зоне влияния

Все здания и сооружения, попадающие в зону влияния, подлежат: - обследованию технического состояния до начала работ (ГОСТ 31937) с присвоением категории; - расчёту прогнозируемых дополнительных деформаций; - геотехническому мониторингу в процессе работ (глава IX).

V.9.4. Категории технического состояния зданий

В соответствии с ГОСТ 31937 / СП 22 каждому зданию в зоне влияния присваивается категория:

Источник: ГОСТ 31937 (категории технического состояния); СП 22.13330 — категории состояния I–IV существующих сооружений (прил. Д, табл. Д.1, с. 211–214; в СП категория I — «нормативное», II — «работоспособное», III — «ограниченно-работоспособное», IV — «аварийное»), предельные дополнительные деформации зданий окружающей застройки в зоне влияния (прил. К, табл. К.1, с. 218–224). Числовые диапазоны осадок в таблице — обобщённые, точные значения зависят от типа здания и категории: Улицкий, Шашкин, Шашкин «Геотехническое сопровождение реконструкции городов»; Тер-Мартиросян «Реконструкция и усиление оснований и фундаментов».

Точные предельные значения — по СП 22.13330, прил. К, табл. К.1 (с. 218–224). Для зданий окружающей застройки в зоне влияния максимальная дополнительная осадка \(s_{max,ad}\) и относительная разность осадок \((\Delta s/L)_u\) задаются по типу здания и категории состояния, например: бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича/крупных блоков без армирования — кат. I: \((\Delta s/L)_u = 0{,}0020\), \(s_{max,ad} = 4{,}0\) см; кат. II: \(0{,}0010\) и \(3{,}0\) см; кат. III: \(0{,}0007\) и \(1{,}0\) см. Для категории IV (аварийной) дополнительные деформации не допускаются (прим. 2 к табл. К.1).

[!] Категория состояния — определяющий вход в расчёт ПС-2. Один и тот же котлован рядом со зданием категории I может быть допустим, а рядом со зданием категории III — недопустим без специальных мероприятий (усиление здания, изменение схемы ограждения, jet-grouting, компенсационное нагнетание).

V.9.5. Прогнозируемые деформации

V.9.5.1. Что прогнозируется

Наиболее опасна для зданий не абсолютная осадка, а относительная неравномерность (перекос) — именно она вызывает трещины в стенах.

V.9.5.2. Форма мульды осадки

За гибким шпунтовым ограждением формируется мульда оседания: осадка максимальна у стенки (или на некотором удалении — для жёстких ограждений) и затухает к границе зоны влияния. Форма мульды зависит от схемы ограждения:

• консольное / податливое — максимум осадки у стенки, монотонное затухание;
• распорное / многоанкерное жёсткое — максимум осадки смещён от стенки (на 0,5–1,0 H), «корытообразная» мульда.

Форма мульды определяет, какая часть здания просядет сильнее, и соответственно — перекос.

V.9.5.3. Методы прогноза

[!] Для расчёта осадок зданий — только МКЭ с моделью HS / HSsmall. Модель Mohr-Coulomb даёт нереалистичную картину деформаций в зоне разгрузки (завышает подъём дна, искажает мульду осадки). Балочные модели (SCAD/ЛИРА с коэффициентом постели) дают деформацию стенки, но не дают корректную мульду осадки за стенкой. См. главу V.6.

V.9.6. Условие по ПС-2

Для каждого здания в зоне влияния:

где: - \(\Delta S_{прогноз}\) — дополнительная осадка от котлована (расчёт МКЭ); - \(S_{сущ}\) — существующая накопленная осадка (по данным обследования); - \(S_u\) — предельно допустимая суммарная осадка для категории состояния и типа здания (СП 22); - \((\Delta S/L)_u\) — предельно допустимая относительная неравномерность (СП 22).

Источник: СП 22.13330 — геотехнический прогноз влияния и состав определяемых величин (зона влияния, дополнительные деформации оснований и фундаментов окружающей застройки, защитные мероприятия) — п. 9.34, с. 173; предельные дополнительные деформации оснований фундаментов сооружений окружающей застройки — прил. К, табл. К.1, с. 218–224; Мангушев, Карлов, Сахаров «Механика грунтов»; Тер-Мартиросян «Механика грунтов».

Расчёт ведётся по нормативным значениям нагрузок и характеристик (γf = γg = 1), как и положено для ПС-2 (см. главу V.1).

V.9.7. Численный пример: влияние на соседнее здание [ПРИМЕР УСЛОВНЫЙ]

Исходные данные

Из примера главы V.3 (трёхъярусный распорный котлован H = 12 м, Москва): - рядом — кирпичное жилое здание 1950-х в 6 м от ограждения; - категория технического состояния — II (удовлетворительное, есть мелкие трещины, несущая способность не снижена); - фундамент здания — ленточный на естественном основании, глубина заложения 2,2 м; - существующая накопленная осадка по обследованию — 35 мм (стабилизировавшаяся).

Шаг 1. Зона влияния

Гибкое распорное ограждение, средние грунты, \(H + t = 12 + 5{,}6 = 17{,}6\) м, \(k \approx 2{,}0\): $\(L_{вл} \approx 2{,}0 \times 17{,}6 \approx 35 \text{ м}\)$

Здание в 6 м от стенки — полностью в зоне влияния (ближняя, наиболее деформируемая часть).

Шаг 2. Прогноз деформаций (МКЭ, Hardening Soil)

Из расчёта PLAXIS (после оптимизации схемы — глава V.3.6.7: предварительное натяжение распорок, Шпунт 622Т, шаг 3,5 м):

Длина здания в направлении от котлована \(L = 12\) м.

Шаг 3. Проверка абсолютной осадки

Предельная суммарная осадка для кирпичного здания категории II на ленточном фундаменте (по СП 22, ориентировочно): $\(S_u \approx 30 \text{ мм (дополнительная)}; \quad S_{u,суммарная} \approx 50 \text{ мм}\)$

Источник: СП 22.13330, прил. К, табл. К.1 (с. 218–224). Для кирпичного бескаркасного здания без армирования категории II в зоне влияния предельная дополнительная максимальная осадка \(s_{max,ad} = 3{,}0\) см = 30 мм (п. 3 табл. К.1, кат. II) — это и есть допустимая дополнительная осадка \(S_u\); суммарная (существующая + дополнительная) проверяется отдельно. Тер-Мартиросян «Реконструкция и усиление оснований и фундаментов».

Предельная дополнительная осадка \(S_u = 30\) мм подтверждена по СП 22.13330, прил. К, табл. К.1, п. 3, кат. II (с. 218–224). Значение суммарной предельной осадки \(S_{u,суммарная} \approx 50\) мм — оценочное (через сложение существующей стабилизировавшейся и предельной дополнительной), нормируется именно дополнительная деформация.

Проверка: $\(\Delta S_{макс} = 6 \text{ мм} \leq 30 \text{ мм} \quad ✓\)$

Суммарная: \(35 + 6 = 41\) мм \(\leq 50\) мм ✓ (с учётом, что существующая осадка стабилизировалась).

Шаг 4. Проверка относительной неравномерности (определяющая)

Разность осадок по длине здания: $\(\Delta S = S_{ближн} - S_{дальн} = 6 - 2 = 4 \text{ мм}\)$

Относительная неравномерность: $\(\frac{\Delta S}{L} = \frac{4}{12\,000} = 0{,}00033\)$

Предельная относительная разность осадок для кирпичного бескаркасного здания без армирования категории II в зоне влияния (СП 22.13330, прил. К, табл. К.1, п. 3): $\(\left(\frac{\Delta S}{L}\right)_u = 0{,}0010\)$

Источник: СП 22.13330, прил. К, табл. К.1, п. 3 «Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из крупных блоков или кирпичной кладки без армирования», кат. II → \((\Delta s/L)_u = 0{,}0010\) (с. 218–224). [Э: сверено с СП 22.13330 — для кат. II нормативное значение \(0{,}0010\) (диапазон «0,0010–0,0015» относился к разным типам кладки: 0,0015 — для зданий с армированием / ж/б поясами, п. 4 табл. К.1)]; Мангушев, Карлов, Сахаров «Механика грунтов».

Проверка: $\(0{,}00033 \leq 0{,}0010 \quad ✓\)$

Шаг 5. Вывод

Влияние котлована на здание категории II — в пределах допустимого при условии реализации оптимизированной схемы ограждения (предварительное натяжение распорок, Шпунт 622Т, шаг 3,5 м) и сопровождения геотехническим мониторингом (глава IX).

Без оптимизации схемы (исходный вариант V.3.6: Шпунт 616, шаг распорок 4 м, без преднатяжения) деформация стенки была 22 мм, осадка у здания ~12 мм, относительная неравномерность ~0,0008 — на грани допустимого. Это иллюстрирует, что расчёт влияния на застройку определяет окончательный выбор схемы, а не наоборот.

V.9.8. Мероприятия при недопустимых деформациях

Если прогноз превышает допустимое, применяются (в порядке возрастания стоимости):

1. Ужесточение ограждения — более жёсткий профиль шпунтовой системы, уменьшение шага распорок/анкеров, дополнительный ярус.
2. Предварительное натяжение анкеров/распорок — снижает деформации на 30–50%.
3. Сокращение времени открытого котлована — поэтапная разработка, быстрое возведение постоянных конструкций.
4. Усиление основания соседнего здания — буроинъекционные сваи, цементация.
5. Компенсационное нагнетание (compensation grouting) — управляемое нагнетание раствора под фундамент здания, компенсирующее осадку в реальном времени по данным мониторинга. Дорогое, но эффективное для особо ответственных объектов (памятники, исторические здания).
6. Изменение схемы — переход от котлованного метода к методу «стена в грунте» / «top-down».

V.9.9. [!] Особенности расчёта влияния на застройку

1. Определяющий критерий — относительная неравномерность, а не абсолютная осадка. Здание может выдержать равномерную осадку 30 мм без трещин, но перекос 0,002 на коротком пролёте вызовет трещины. Прогноз должен давать мульду осадки, а не одну цифру.

2. Только МКЭ с HS / HSsmall. Mohr-Coulomb и балочные модели непригодны для прогноза мульды осадки за стенкой.

3. Существующая осадка и состояние здания — обязательный вход. Расчёт без данных обследования (категория состояния, существующие деформации) не имеет смысла. Обследование зданий в зоне влияния — до начала проектирования ограждения.

4. Расчёт влияния часто определяет схему ограждения. Это итеративный процесс: расчёт ПС-1 даёт допустимый по прочности вариант, расчёт ПС-2 (влияние на застройку) его ужесточает. Окончательная схема — результат обеих проверок.

5. Время открытого котлована — фактор деформаций. В слабых грунтах деформации накапливаются во времени (ползучесть). Графики производства работ — часть расчётного обоснования.

6. Прогноз подтверждается мониторингом. Расчётная мульда сопоставляется с фактической по этапам (глава IX). Расхождение >20% — повод для пересчёта модели и оставшихся стадий.

7. Памятники архитектуры и здания категории III–IV — индивидуальный подход. Предельные деформации устанавливаются не по типовым таблицам, а по результатам специального обследования и расчёта конкретного здания.

V.9.10. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не определена зона влияния котлована.»

Что делать: расчёт зоны влияния (по МКЭ — граница затухания дополнительной осадки до нормативного порога), схема с нанесением зоны влияния и зданий в ней.

Замечание 2. «Не приведены категории технического состояния зданий в зоне влияния.»

Что делать: обследование всех зданий в зоне влияния по ГОСТ 31937 с присвоением категории; для категории III и хуже — расширенное обследование.

Замечание 3. «Прогноз осадок выполнен без МКЭ / по модели Mohr-Coulomb.»

Что делать: расчёт деформаций в МКЭ с моделью Hardening Soil / HSsmall (обоснование выбора модели — глава V.6).

Замечание 4. «Не проверена относительная неравномерность осадок зданий.»

Что делать: для каждого здания в зоне влияния — расчёт не только абсолютной, но и относительной неравномерности осадки (перекоса) с проверкой по СП 22 для категории состояния.

Замечание 5. «Не учтена существующая осадка зданий.»

Что делать: суммарная проверка (существующая + дополнительная) против предельной по СП 22.

Замечание 6. «Не предусмотрены мероприятия при прогнозе на грани допустимого.»

Что делать: при коэффициенте использования по деформациям > 0,8 — обоснование компенсирующих мероприятий и усиленной программы мониторинга с регламентом реагирования (глава IX).

V.9.11. [?] Дискуссионные вопросы

1. Методика определения зоны влияния. Существуют разные подходы (эмпирический по обобщённым кривым, расчётный по МКЭ-порогу осадки). Для ответственных объектов — расчётный по МКЭ; для предварительной оценки — эмпирический.

2. Предельные значения деформаций для зданий категории III. СП даёт типовые значения для категорий I–II; для III и хуже значения определяются индивидуально, что вносит экспертную неопределённость.

3. Учёт жёсткости здания при расчёте мульды. Строгий расчёт требует совместной модели «грунт + ограждение + здание» (здание перераспределяет осадки за счёт собственной жёсткости). Упрощённый подход — мульда «свободного поля» с наложением на здание (консервативно). Для ответственных объектов — совместная модель.

4. Граница между ПС-2 и аварийной ситуацией. Превышение прогнозной деформации соседнего здания формально — нарушение ПС-2, фактически — риск ПС-1 для соседнего здания. Регламент — глава IX, глава XI.

Если котлован проектируется: - рядом со зданиями категории состояния II и хуже; - рядом с памятниками архитектуры / историческими зданиями; - в слабых грунтах с большой зоной влияния; - с прогнозом деформаций на грани допустимого;

— проектировщик выполняет предварительный расчёт зоны влияния и прогноз деформаций соседних зданий в МКЭ, рекомендует схему ограждения и компенсирующие мероприятия. Консультация бесплатна.

V.9.13. Литература к главе

1. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений.
2. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
3. СП 248.1325800. Сооружения подземные. Правила проектирования.
4. ГОСТ 31937. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
5. СП 305.1325800. Правила проведения геотехнического мониторинга.
6. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. — М.: АСВ.
7. Тер-Мартиросян З.Г. Реконструкция и усиление оснований и фундаментов.
8. Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов. — СПб.: СПбГАСУ.
9. Пособие по обследованию и мониторингу зданий (НИИОСП).

Зарубежные (справочно): 10. Burland J.B., Standing J.R., Jardine F.M. Building response to tunnelling. — London: Thomas Telford. 11. CIRIA C760. Guidance on embedded retaining wall design. 12. EAB 2021 (DGGT). Empfehlungen Arbeitskreis Baugruben.

Нормы: СП 22.13330, СП 381.1325800, СП 248.1325800, ГОСТ 31937, СП 305.1325800

V.10. Сейсмические воздействия и расчёт на особое сочетание

В сейсмических районах РФ (Кавказ, Черноморское побережье, Крым, Прибайкалье, Сахалин, Камчатка — сейсмичность 7–9 баллов) шпунтовое ограждение проверяется на особое сочетание с сейсмическим воздействием (главы V.1, IV.5). Землетрясение уве…

V.10.1. Задача

В сейсмических районах РФ (Кавказ, Черноморское побережье, Крым, Прибайкалье, Сахалин, Камчатка — сейсмичность 7–9 баллов) шпунтовое ограждение проверяется на особое сочетание с сейсмическим воздействием (главы V.1, IV.5). Землетрясение увеличивает давление грунта на стенку (динамическая надбавка), снижает пассивный отпор, может вызывать разжижение водонасыщенных песков.

V.10.2. Нормативная база

• СП 14.13330 «Строительство в сейсмических районах» — сейсмичность площадки, расчётные воздействия. [В: не подтверждено] (СП 14 для сверки недоступен; пункты по СП 14 сверить по первоисточнику).
• СП 381.1325800 — особое сочетание для подпорных сооружений; сейсмические воздействия — раздел 11 (п. 11.1.1–11.1.7, с. 73), перечень особых воздействий п. 6.2.2 г), с. 25–26, коэффициенты надёжности на особое сочетание табл. 6.2, прим. 1, с. 28.
• СП 358.1325800 — гидротехнические сооружения в сейсмических районах (для причалов/набережных). [В: не подтверждено] (СП 358 для сверки недоступен).
• СП 22.13330 — сейсмические свойства оснований, разжижение — раздел 6.13 «Особенности проектирования оснований сооружений, возводимых в сейсмических районах» (п. 6.13.1–6.13.4, с. 147–150); динамика/разжижение — п. 5.2.4, с. 27.

V.10.3. Сейсмическое давление грунта (метод Мононобе–Окабе)

Динамическая надбавка к активному давлению учитывается через сейсмические коэффициенты \(k_h\) (горизонтальный), \(k_v\) (вертикальный):

Источник формулы Мононобе–Окабе (\(K_{ae}\), \(\theta\)): СП 14.13330 [В: не подтверждено] (СП 14 для сверки недоступен — точные пункты сверить по первоисточнику). Квазистатическая постановка задачи подтверждена по первоисточнику: расчёт в рамках квазистатической или динамической задачи — СП 381.1325800, п. 11.1.3, с. 73; горизонтальное ускорение грунта \(K_0 \cdot K_1 \cdot A\) и вектор воздействия (горизонтальный либо под углом 30°) — СП 381, п. 11.1.4–11.1.5, с. 73; обозначения \(A\) (сейсм. ускорение), \(K_0\), \(K_1\) — СП 381, прил. А, с. 81–82. Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов» (динамика грунтов) — собственно теория Мононобе–Окабе по имени в первоисточниках не встречается, цитата справочная. Справочно (зарубежн.): EN 1998-5, Eurocode 8.

где \(K_{ae}\) — сейсмический коэффициент активного давления (Мононобе–Окабе), \(\theta\) — «сейсмический угол» (эффект инерции грунтового клина). Сейсмическое активное давление возрастает, пассивный отпор \(K_{pe}\) — снижается. В нормах РФ снижение пассивного отпора реализуется через уменьшение расчётного угла внутреннего трения при сейсмике:

Источник: СП 22.13330, формула (6.48), п. 6.13.3, с. 147–149 [Э: сверено с СП 22.13330]. Снижение угла внутреннего трения учитывается в расчётах без сейсмических инерционных объёмных сил на особое сочетание; при учёте инерционных сил принимают \(\varphi_I\) (п. 6.13.4).

Коэффициенты \(k_h\), \(k_v\) — по СП 14 в зависимости от расчётной сейсмичности (7/8/9 баллов) и категории грунта по сейсмическим свойствам.

Источник: СП 14.13330 [В: не подтверждено] (СП 14 для сверки недоступен — значения коэффициентов и категории грунтов сверить по первоисточнику). На площадках 7 баллов и выше подпорные сооружения проектируют по СП 14 — это подтверждено по первоисточнику: СП 381.1325800, п. 11.1.1, с. 73 и СП 22.13330, п. 6.13.1, с. 147. Для гидротехнических сооружений (ГТС) — СП 358.1325800 [В: не подтверждено] (СП 358 для сверки недоступен); учёт сейсмики для ГТС по СП 14/СП 358 — СП 58.13330, п. 8.17, прим. 2, с. 21–22. Российская школа динамики грунтов — Тер-Мартиросян З.Г. «Механика грунтов».

[!] Сейсмика увеличивает активное давление и снижает отпор одновременно. Двойной неблагоприятный эффект. Расчёт «обычной» схемы с добавлением только инерционной силы стенки, без пересчёта давления грунта по Мононобе–Окабе, — недооценка воздействия.

V.10.4. Разжижение водонасыщенных песков

Рыхлые водонасыщенные пески при сейсмическом воздействии могут разжижаться (потеря прочности → грунт ведёт себя как тяжёлая жидкость). Следствия для шпунта: резкий рост давления, потеря пассивного отпора, потеря устойчивости.

Оценка потенциала разжижения — по СП 14 / СП 22 (относительная плотность, гранулометрия, положение уровня подземных вод (УПВ), интенсивность). При риске разжижения — специальные меры: уплотнение/закрепление грунта, увеличение заделки, дренаж, перепроектирование схемы.

Источник: динамические и циклические воздействия рассматривают с учётом возможности разжижения — СП 22.13330, п. 5.2.4, с. 27; запрет использования водонасыщенных грунтов, способных к динамическому разжижению, в основании сейсмостойких сооружений без предварительных мероприятий (уплотнение, закрепление, замена грунтов) — СП 22.13330, п. 6.13.2, с. 147. Для подпорных сооружений — СП 381.1325800, п. 11.1.7, с. 73 (возможность динамического разжижения оценивают по ГОСТ Р 56353; мероприятия по улучшению свойств грунтов основания обязательны). На СП 14 ссылка не подтверждена по первоисточнику (СП 14 отсутствует).

[!] Разжижение — катастрофический сценарий. Для рыхлых водонасыщенных песков в сейсмическом районе оценка разжижения обязательна и часто определяет проектное решение в большей степени, чем статический расчёт.

V.10.5. Расчёт на особое сочетание

• к основному сочетанию (IV.5, V.1) добавляется сейсмическое воздействие; коэффициенты сочетания прочих кратковременных снижаются;
• сейсмическое давление по Мононобе–Окабе + инерционные силы конструкции и опор (анкеры, распорки, обвязка);
• проверки по предельным состояниям (ПС) первой группы — ПС-1 (прочность, устойчивость положения, общая устойчивость — V.7, V.8) на особое сочетание;
• для гидротехнических — дополнительно гидродинамическое давление воды (СП 358).

Источник: проектирование подпорных сооружений с учётом сейсмики — по ПС-1 на особое сочетание нагрузок в соответствии с СП 22 и СП 24 — СП 381.1325800, п. 11.1.2, с. 73; сейсмические воздействия отнесены к особым — п. 6.2.2 г), с. 25–26; коэффициенты надёжности по нагрузке на особое сочетание \(\gamma_f = 1{,}0\) — табл. 6.2, прим. 1, с. 28; расчётные характеристики грунта на особое сочетание принимают с доверительной вероятностью не менее 0,85 — п. 6.2.9, с. 28. Для ГТС — коэффициенты сочетания нагрузок на особое сочетание (0,95 при ПЗ, 0,85 при МРЗ) и гидродинамическое/цунами воздействие — СП 58.13330, п. 8.17, с. 21–22 и прил. Г, п. Г.2 ж), к), с. 34–35. СП 358 для сверки недоступен [В: не подтверждено].

Распорные системы в сейсмике часто резервируют (дополнительный ярус против статического расчёта) — статически неопределимая система надёжнее при сейсмике (V.3.7).

V.10.6. [!] Особенности

1. Сейсмический расчёт — особая расчётная ситуация (V.1.6.3), не заменяет основное сочетание; проверяются оба.
2. Анкеры при сейсмике — проверка корня на циклическое/инерционное воздействие; глубинная устойчивость (Кранц, V.4.7) на особое сочетание. Для расчётов на особое сочетание нагрузок коэффициенты надёжности для грунтовых анкеров принимают \(\gamma_a = \gamma_{a,f} = 1{,}05\) (СП 381.1325800, табл. 7.1, п. 7.3.20, с. 51–52).
3. Для ответственных объектов в районах 8–9 баллов — расчёт методом конечных элементов (МКЭ) с динамическим/псевдостатическим анализом (V.6). На площадках грунтов категорий III и IV по сейсмическим свойствам обязательны мероприятия по улучшению свойств грунтов основания до начала строительства (СП 381.1325800, п. 11.1.6, с. 73; ср. СП 22.13330, п. 6.13.2, с. 147 — для категории III).
4. Региональная привязка — глава III.5.3 (Юг России): усиленные/резервированные схемы.

V.10.7. [Э] Замечания экспертизы

• «Не выполнен расчёт на особое (сейсмическое) сочетание» → для площадок ≥ 7 баллов обязателен расчёт по СП 14 с давлением по Мононобе–Окабе.
• «Не оценён потенциал разжижения» → для водонасыщенных песков в сейсмическом районе — оценка по СП 14/22, при риске — меры (запрет использования без мероприятий — СП 22.13330, п. 6.13.2, с. 147; для подпорных — СП 381.1325800, п. 11.1.7, с. 73; СП 14 для сверки недоступен).
• «Сейсмика учтена только инерцией стенки» → пересчёт давления грунта по Мононобе–Окабе, снижение пассивного отпора (в нормах РФ — через снижение расчётного угла внутреннего трения \(\varphi''_I = \varphi_I - \Delta\varphi\), СП 22.13330, ф. (6.48), п. 6.13.3, с. 147–149).

V.10.8. [?] Дискуссионные вопросы

1. Псевдостатический (Мононобе–Окабе) vs динамический МКЭ-расчёт — граница применимости по ответственности объекта.
2. Значения \(k_h\), \(k_v\) и коэффициентов сочетания — нормативные vs уточнённые по сейсмомикрорайонированию площадки.
3. Критерии разжижения — выбор методики оценки при пограничных параметрах песка.

Для объектов в сейсмических районах (Юг России, Дальний Восток) проектировщик консультирует по схеме ограждения (Шпунтовая система), расчёту на особое сочетание, оценке разжижения, резервированию распорной системы. Бесплатно.

V.10.10. Литература

1. СП 14.13330. Строительство в сейсмических районах.
2. СП 358.1325800. Сооружения гидротехнические в сейсмических районах.
3. СП 381.1325800. Сооружения подпорные.
4. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений (разжижение).
5. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов (динамика).

Зарубежные (справочно): 6. EN 1998-5. Eurocode 8: Foundations, retaining structures, geotechnical aspects. 7. EAU 2020 (DGGT) — раздел сейсмики. 8. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 14.13330, СП 381.1325800, СП 358.1325800, СП 22.13330, СП 58.13330, ГОСТ Р 56353

Часть VI. Конструктивные решения и узлы

Расчёт (Часть V) даёт усилия; конструирование превращает их в реализуемое решение. Узел, безупречный на бумаге, но неудобный для монтажа или концентрирующий напряжения, нежизнеспособен. Эта часть — методика конструирования: выбор схемы, рас…

VI.0. Введение

Расчёт (Часть V) даёт усилия; конструирование превращает их в реализуемое решение. Узел, безупречный на бумаге, но неудобный для монтажа или концентрирующий напряжения, нежизнеспособен. Эта часть — методика конструирования: выбор схемы, расчёт обвязочного пояса, распорных и анкерных узлов, угловых элементов, сопряжений, сварных соединений.

Рабочие чертежи типовых узлов с размерами и спецификациями — Приложение В (Альбом типовых узлов); в настоящем издании 3 узла-образца (У-01 обвязка+анкер, У-02 угол, У-03 распорка), в следующих изданиях — до 30–40 узлов. Эта часть даёт методическую основу для их привязки.

VI.1. Выбор расчётной и конструктивной схемы

VI.1.1. Логика принятия решения

VI.1.2. Факторы выбора

[!] Выбор схемы — итеративный. Первичный выбор по глубине и грунтам (V.1–V.4) уточняется проверкой влияния на застройку (V.9) и технологическими ограничениями (VII). Окончательная схема — компромисс прочности, деформаций, технологии и экономики.

VI.2. Распределительный (обвязочный) пояс

VI.2.1. Назначение

Передаёт сосредоточенное усилие анкера/распорки на несколько шпунтовых свай, выравнивая работу стенки. Без обвязки усилие концентрируется на отдельных сваях → местная перегрузка.

VI.2.2. Расчёт

Обвязочный пояс рассчитывается как многопролётная балка с пролётами, равными шагу анкеров/распорок \(s\), под распределённой нагрузкой \(q = T_a / s\) (реакция стенки на пог. м, кН/м):

Источник: СП 16.13330 «Стальные конструкции» — расчёт на прочность изгибаемых элементов сплошного сечения (п. 8.2, с. 30), поясные соединения составных балок (п. 14.4.1, с. 82); Снитко Н.К., Статика сооружений (момент многопролётной неразрезной балки) [В: не подтверждено]. Коэффициент знаменателя — по фактической схеме опирания и числу пролётов [В: не подтверждено].

(коэффициент знаменателя зависит от схемы опирания — неразрезная балка). Подбор сечения пояса (2 швеллера / 2 двутавра) — по СП 16 (прочность изгибаемых элементов п. 8.2, с. 30).

VI.2.3. Конструктивные требования

• двойной симметричный профиль (2 швеллера/двутавра) — для центрированной передачи усилия;
• крепление к шпунту — сварка (прерывистый угловой шов, СП 16 п. 14.1.10, с. 74) либо болты (СП 16 п. 14.2.1, с. 78; расчёт усилия на один болт — п. 14.2.9, с. 79); расчёт на реакцию + вертикальную составляющую от наклона анкера (\(T_a \sin\alpha\));
• все отверстия — заводские (сверление по месту снижает сечение — типовая ошибка, VI.7);
• узел У-01 (Приложение В) — типовое решение «обвязка + анкер».

[!] Неравномерный шаг анкеров. При обходе коммуникации шаг анкеров увеличивается локально → пролёт обвязки растёт → момент растёт квадратично. В зоне увеличенного пролёта — усиление сечения пояса.

VI.3. Распорные системы: узлы

VI.3.1. Опорный узел распорки

Передаёт осевое усилие распорки на обвязочный пояс через стальную фасонку (узел У-03, Приложение В). Расчёт: передача \(N\) (V.3.5), местная устойчивость стенки трубы и шпунта в зоне передачи, сварные швы (СП 16 разд. 14.1)/болты (СП 16 п. 14.2.9, с. 79), плотность контакта (зазор ≤ 1 мм).

VI.3.2. Конструктивные элементы распорной системы

VI.3.3. Предварительное натяжение

Натяжение распорки (30–50% расчётного усилия) снижает деформации стенки на 30–50% (V.3, V.9). Узел должен обеспечивать контролируемое натяжение (домкрат + фиксация) и измерение усилия (тензометр — глава IX).

[!] Демонтаж распорной системы при обратной засыпке — по этапам сверху вниз, с проверкой нагрузки на оставшихся опорах на каждом этапе (V.3.7). Узлы проектируются с учётом разборности.

VI.4. Анкерные системы: узлы

VI.4.1. Состав узла анкеровки (узел У-01)

• анкерная плита под гайкой (распределение усилия на обвязку);
• гайка + шайба (с учётом наклона анкера — клиновая шайба);
• тяга (арматура А500С/А800С либо пряди) сквозь обвязку и стенку;
• защитная труба свободной части (ПВХ) — отделяет свободную часть от грунта (иначе анкер «висит» в призме обрушения — V.4.6);
• оголовок и узел натяжения.

VI.4.2. Расчёт узла

• анкерная плита — на смятие и продавливание под гайкой;
• зона прохода тяги через стенку — местная прочность шпунта, при необходимости — усиливающая накладка;
• сварные/болтовые соединения — на полное усилие анкера с учётом наклона (расчёт сварных швов — СП 16 разд. 14.1; болтов — СП 16 п. 14.2.9, с. 79).

VI.4.3. Коррозионная защита анкера

Для постоянных сооружений — двойная антикоррозионная защита тяги (оболочка + цементация), герметизация оголовка. Связь с главой VIII.

[!] Защитная труба свободной части — обязательна. Без неё анкер работает трением по всей длине, нарушая расчётную схему (V.4.6). Контроль установки — позиция ОТК (VII.3).

VI.5. Угловые элементы, сопряжения, замыкание контура

VI.5.1. Угловые элементы

Угловой элемент — критичен для геометрии всего ограждения: невертикальность угла транслируется на десятки метров стенки (V.4, узел У-02). Погружается первым как «якорь» геометрии (VII.3).

VI.5.2. Сопряжения и замыкание

• замыкание контура котлована — замковый профиль C5050, контроль соосности при погружении (VII.3);
• Т-образные сопряжения (примыкание стенки к стенке) — сварные узлы с накладками;
• сопряжение с постоянными конструкциями (VI.6).

VI.5.3. Герметизация угловых и замковых соединений

Для противофильтрационных/гидротехнических сооружений углы и замыкания — зоны риска фильтрации (V.8). Герметики либо сварка; контроль водонепроницаемости (для подводных — водолазный, VII.5).

VI.6. Сопряжение шпунта с постоянными конструкциями

Когда шпунт остаётся в проекте (не извлекается) и включается в работу постоянного сооружения:

• сопряжение с монолитной ж/б стеной/плитой — арматурные выпуски, анкеровка в шпунт, совместная работа;
• учёт шпунта как несущего элемента постоянной конструкции (расчёт на эксплуатационные нагрузки, постоянная расчётная ситуация — V.1);
• коррозионная защита на весь срок службы (VIII);
• решение «шпунт остаётся» vs «извлекается» — технико-экономическое (VII.4).

[!] Шпунт в постоянной конструкции — иной расчётный режим. Временное ограждение, ставшее частью постоянного сооружения, рассчитывается дополнительно в постоянной расчётной ситуации (эксплуатационные нагрузки, коррозия на весь срок) — не только на строительный период.

VI.7. Сварные соединения и наращивание по длине

VI.7.1. Наращивание шпунта по длине

При длине ограждения свыше стандартной поставки (12 м) либо при стеснённой высоте погружения (VII.5.3) — стыковое сварное соединение свай по длине:

• стыковой шов с полным проваром, по СП 16 (стыковые сварные соединения — прямые, с полным проваром, п. 14.1.6, с. 72) / ГОСТ 5264;
• расположение стыка вне зоны максимального момента (смещать к зоне малых усилий);
• разбежка стыков соседних свай (не в одном уровне);
• контроль качества шва (ВИК + УЗК выборочно).

VI.7.2. Сварка замков

• повышает \(\beta_B\) до 1,0 (V.7), обеспечивает водонепроницаемость (VIII);
• снижает оборачиваемость арендного шпунта (VII.4) — решение по «временное/постоянное»;
• прерывистый или сплошной шов по проекту.

VI.7.3. Типовые ошибки

[!] Сверление отверстий по месту. Отверстия под болты обвязки/анкеровки, пробитые на стройке после погружения, снижают сечение в непредусмотренном месте. Все отверстия — заводские, по проекту. Контроль — ОТК (VII.3).

[!] Стык в зоне максимума момента. Сварной стык по длине, попавший в зону \(M_{max}\), — концентратор. Расположение стыков проектируется по эпюре моментов (Часть V).

VI.8. Альбом типовых узлов

Рабочие чертежи (формат системы проектной документации для строительства (СПДС): план, разрез, изометрия, спецификация, последовательность монтажа, контроль качества) — Приложение В. В настоящем издании:

• У-01 — обвязочный пояс + крепление анкерной тяги;
• У-02 — угловое соединение 90°;
• У-03 — крепление распорки к обвязочному поясу.

В следующих изданиях — расширение до 30–40 узлов (сварные стыки, оголовки, сопряжения с ж/б, герметизация замков, Т-образные, узлы для городской застройки и др.). Список — Приложение В, раздел В.5.

VI.9. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не приведён расчёт обвязочного пояса.»

Что делать: расчёт пояса как многопролётной балки (пролёт = шаг анкеров/распорок), подбор сечения по СП 16, учёт вертикальной составляющей от наклона анкера.

Замечание 2. «Не рассчитан опорный узел распорки / узел анкеровки.»

Что делать: расчёт узла на полное усилие (смятие плиты, местная устойчивость стенки, сварные/болтовые соединения), чертёж узла с привязкой к Альбому (Прил. В).

Замечание 3. «Не обоснован выбор конструктивной схемы.»

Что делать: пункт «Обоснование схемы» с логикой VI.1 (глубина, грунты, окружение, технология, экономика).

Замечание 4. «Стык по длине в зоне максимального момента / отверстия по месту.»

Что делать: расположение стыков — по эпюре моментов, вне зоны \(M_{max}\), с разбежкой; все отверстия — заводские.

Замечание 5. «Не решён узел сопряжения шпунта с постоянной конструкцией.»

Что делать: для остающегося шпунта — узел сопряжения с ж/б, расчёт совместной работы, постоянная расчётная ситуация (V.1), коррозия на срок службы (VIII).

VI.10. [?] Дискуссионные вопросы

1. Коэффициент в формуле момента обвязки (\(qs^2/8\) vs \(/10\) vs \(/12\)) — зависит от принятой схемы опирания (разрезная/неразрезная) и числа пролётов; на обоснование проектировщика.

2. Сварка замков для арендного шпунта — конфликт «герметичность/β_B» против «оборачиваемость». Решается технико-экономически для конкретного объекта.

3. Учёт совместной работы шпунта и постоянной ж/б конструкции — степень включения шпунта в работу постоянного сооружения; консервативный подход — не учитывать шпунт как несущий после срока службы (коррозия), либо обоснованный учёт с защитой.

Если есть вопросы: - по выбору конструктивной схемы для нетипового объекта; - по расчёту обвязочного пояса / опорных и анкерных узлов; - по угловым элементам нетиповых углов (сроки изготовления); - по узлам сопряжения шпунта с постоянными конструкциями; - по привязке типовых узлов Альбома (Приложение В) к объекту;

— проектировщик консультирует бесплатно, выпускает чертежи узлов в формате СПДС, поставляет фасонные и сопутствующие элементы системы.

VI.12. Литература к части

1. СП 16.13330. Стальные конструкции.
2. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
3. ГОСТ 5264. Ручная дуговая сварка. Соединения сварные.
4. ГОСТ Р 21.101. СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации.
5. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника.
6. Гордеев П.Н., Гордеев М.П. Расчёт и конструирование одноанкерных больверков.
7. Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции.

Зарубежные (справочно): 8. EN 1993-5. Eurocode 3: Design of steel structures — Part 5: Piling. 9. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 10. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно).

Нормы: СП 381.1325800, СП 16.13330, ГОСТ 10704, ГОСТ 5264, ГОСТ Р 21.101

Часть VII. Технология производства работ

Лучший расчёт бесполезен, если шпунт невозможно погрузить в проектное положение или если технология погружения разрушает соседние здания. Технология производства работ — не приложение к проекту, а его неотъемлемая часть: способ погружения в…

VII.0. Введение

Лучший расчёт бесполезен, если шпунт невозможно погрузить в проектное положение или если технология погружения разрушает соседние здания. Технология производства работ — не приложение к проекту, а его неотъемлемая часть: способ погружения влияет на расчётную схему (тиксотропный эффект в глинах), на деформации застройки (вибрация), на оборачиваемость при аренде (износ при извлечении).

Эта часть устанавливает: способы погружения и критерии их выбора, подбор спецтехники, контроль качества, извлечение шпунта и оборачиваемость (стратегический раздел для аренды), особые условия производства работ, требования к проекту производства работ (ППР).

VII.1. Способы погружения

VII.1.1. Нормативная база

• СП 45.13330 — производство земляных работ и устройство ограждений; погружение и извлечение свай и шпунта — раздел 12 (вытеснительные способы — п. 12.1.1, с. 57; меры, облегчающие погружение, — п. 12.1.4, с. 58; выбор оборудования — п. 12.1.6, с. 58; контроль и допуски — табл. 12.1 в п. 12.8.5, с. 67–69).
• СП 48.13330 — организация строительства. [В: не подтверждено]
• СП 381.1325800 — требования к шпунтовым (подпорным) сооружениям; погружение забивкой/вдавливанием/вибропогружением — п. 8.2.1, с. 54; извлечение вблизи застройки — п. 8.2.6, с. 55–56.
• ГОСТ Р 57365 — производство работ по погружению шпунтовых свай; методы установки (ударная забивка, вибропогружение, задавливание) — Приложение С, с. 51–52; методы, облегчающие погружение (подмыв, лидерные скважины) — п. 8.43, с. 26.
• СНиП 3.02.01 / актуальные СП — производство свайных работ. [В: не подтверждено]

VII.1.2. Способы и критерии выбора

VII.1.3. Логика выбора

[!] Способ погружения — вход в расчёт, а не следствие. Вибропогружение в водонасыщенных глинах вызывает временное снижение прочности грунта (тиксотропный эффект, до 30–50%), что должно быть учтено в расчёте пассивного отпора на стадии установки (глава V.6, особенность «Pile Installation»). Лидерное бурение снижает несущую способность заделки — учитывается понижающим коэффициентом. Выбор способа согласуется с расчётчиком до выпуска проекта.

VII.2. Спецтехника

VII.2.1. Подбор по профилю и условиям

Массы свайных пар Шпунта — по Приложению А (например, Шпунт 622Т — 84,7 кг/м [В: уточнить массу марки 622Т по сортаменту Приложения А — внутренний документ, нормативами не регламентируется]; при длине 16 м свайная пара ≈ 1,4 т, что определяет требования к крановому оборудованию и направляющим).

VII.2.2. Ограничения для городской застройки

Источник: СП 22.13330 (предельные значения дополнительных деформаций оснований — п. 5.8.8, с. 66–67; учёт динамических воздействий и инструментальных измерений вибраций — п. 5.8.11, с. 67; зона влияния на окружающую застройку — п. 9.36, с. 174–175); СП 45.13330 (оценка опасности динамических воздействий вблизи зданий при забивке/вибропогружении свай и шпунта — п. 12.1.2, с. 57–58; ограничения по расстоянию до подземных трубопроводов — п. 12.1.3, с. 58); СанПиН (санитарные нормы шума и вибрации) [В: не подтверждено]; Будин А.Я. «Городские и портовые набережные» [В: не подтверждено].

[!] Вибропогружение рядом со зданиями категории II и хуже — высокий риск. Динамическое воздействие вызывает доуплотнение песков под соседними фундаментами и осадки, не предсказуемые статическим расчётом. Для чувствительной застройки — статическое вдавливание; при невозможности — пробное погружение с мониторингом вибраций и осадок, регламент остановки (IX).

VII.3. Контроль качества погружения

VII.3.1. Контролируемые параметры

Допуски — по СП 45.13330, табл. 12.1 (п. 12.8.5, с. 67–69): положение шпунта в плане (п. 9 табл. 12.1) — для стального шпунта при погружении с суши ±15 см, плавучим краном по верху шпунта ±30 см, на отметке поверхности воды ±15 см; вертикальность оси забивных свай (п. 8 табл. 12.1) — 1:100; клиновидность шпунтин для ликвидации веерности (п. 10 табл. 12.1) — ±0,01; отклонение ограждения котлована из стальных труб (п. 19 табл. 12.1) — в плане ±5 см, от вертикали 0,5 %. Числовые допуски в таблице выше — ориентир; окончательно привязываются к ППР актуальной редакции.

Источник: СП 45.13330 (контроль и допуски при устройстве свайных фундаментов и шпунтовых ограждений — табл. 12.1 в п. 12.8.5, с. 67–69; проверка стального шпунта на прямолинейность и чистоту замков — п. 12.1.15, с. 59–60); СП 381.1325800 (погружение элементов подпорных сооружений — п. 8.2.1, с. 54); Пособие по производству свайных работ (НИИОСП им. Герсеванова) [В: не подтверждено]. Числовые допуски — ориентир, привязка к ППР актуальной редакции.

VII.3.2. Подготовка и правка замков

• Очистка замков от грунта/коррозии перед погружением.
• Смазка замков (для облегчения погружения и герметичности).
• Правка деформированных замков (особенно для оборотного шпунта — VII.4).
• Для гидротехнических/постоянных сооружений — герметизация замков (битумные, полиуретановые составы, набухающие профили).

VII.3.3. Последствия нарушения

[!] Расхождение замка («выскочил из замка»). Если свая выходит из замка соседней, нарушается непрерывность стенки: образуется «окно» для фильтрации (риск суффозии, прорыва дна — V.8), снижается совместность работы сечения. Контроль соосности в реальном времени при погружении обязателен; при расхождении — извлечение и перестановка.

VII.4. Извлечение шпунта. Оборачиваемость

Это стратегический раздел для российского рынка: массовая аренда шпунта с обратным выкупом — особенность практики РФ, слабо отражённая в зарубежных руководствах. — крупный участник рынка аренды, поэтому методике извлечения и оборачиваемости уделяется особое внимание.

VII.4.1. Способы извлечения

VII.4.2. Влияние извлечения на окружение

Извлечение шпунта создаёт полость, в которую перемещается грунт → осадка поверхности и соседних объектов. Для застройки категории II и хуже это может быть критичнее самого погружения.

Меры: одновременная подача тампонажного раствора в полость при извлечении; поэтапное извлечение с контролем мониторинга (IX); в ряде случаев — отказ от извлечения (шпунт остаётся в грунте, экономика «аренда vs потеря» — см. VII.4.4).

VII.4.3. Оценка пригодности к повторному использованию

Извлечённый шпунт перед повторным использованием (или обратным выкупом арендодателем) оценивается:

Источник: СП 45.13330 (проверка стального шпунта на прямолинейность и чистоту замков протаскиванием через шаблон перед погружением — п. 12.1.15, с. 59–60; извлечение шпунта — п. 12.1.17, с. 60); ГОСТ Р 57365 (факторы при извлечении шпунтовых свай — деформации грунтового массива, налипание связного грунта с образованием пустот — п. 8.72, с. 29); ГОСТ Р 58034 (шпунтовые профили, контроль геометрии) [В: не подтверждено]; СП 16.13330 (поверочные расчёты с учётом фактических отклонений геометрии и размеров сечений — п. 18.3.2, с. 103). Критерии пригодности — ориентир по обоснованию; нормативной методики учёта накопленного износа оборотного шпунта нет (см. VII.8).

[!] Оборачиваемость определяет экономику аренды и расчётный износ. Шпунт, бывший в обороте N циклов, имеет накопленный износ замков и возможные деформации. Для арендного шпунта в расчёте (главы V.4, V.7) применяется проектное остаточное сечение и обоснованный β_B с учётом фактического состояния замков. Использование табличных характеристик «как для нового» для многократно оборотного шпунта — ошибка.

VII.4.4. Аренда vs покупка — инженерно-экономическая логика

Окончательное решение — технико-экономическое сравнение для конкретного объекта. проектировщик выполняет расчёт «аренда vs покупка» с учётом логистики и оборачиваемости бесплатно (см. «О проектном отделе »).

VII.4.5. Восстановление оборотного шпунта

• Очистка от грунта, бетона (если шпунт контактировал с монолитом), коррозии.
• Правка по длине и правка замков.
• Контроль остаточной толщины (УЗ-толщинометрия), дефектоскопия зон крепления.
• Маркировка и журнал оборачиваемости (паспорт).

VII.5. Особые условия производства работ

VII.5.1. Подводное погружение

Гидротехнические объекты, причалы. Особенности: водолазный контроль соосности и замков, погружение с плавсредств, точность позиционирования. Контроль качества замков под водой — критичен для герметичности (глава VIII).

VII.5.2. Зимнее производство работ

Мёрзлый поверхностный слой (лидерное бурение/предварительное оттаивание); хрупкость стали при отрицательных температурах (контроль ударной вязкости марки стали — Приложение А); обогрев зоны работ; учёт морозного пучения в расчёте (Часть III, IV).

VII.5.3. Стеснённые условия городской площадки

Ограничение по высоте оборудования (телескопические направляющие, секционное погружение со сваркой стыков — глава VI.7); ограниченный фронт работ; работа в существующем контуре зданий. Способ — преимущественно статическое вдавливание.

VII.5.4. Грунты с включениями

Старые фундаменты, бутовая кладка, валуны (городская застройка, насыпные грунты — III.6). Лидерное бурение, предварительная разработка препятствий, готовность к локальной корректировке трассы.

VII.6. Требования к ППР и безопасности

VII.6.1. Состав ППР для шпунтовых работ

• технологические карты погружения/извлечения;
• схема расстановки оборудования, зоны работы крана;
• проектная пригрузка на бровке и зона складирования (связь с расчётом — глава IV);
• последовательность погружения (от угла, контроль соосности);
• стадийность откопки с привязкой к ярусам анкеров/распорок (связь с V.1, V.3);
• регламент демонтажа распорок/анкеров при обратной засыпке;
• программа контроля качества;
• мероприятия безопасности (СП 48, охрана труда).

Источник: СП 45.13330 (производство работ по погружению и извлечению свай и шпунта — раздел 12, в т. ч. подготовка к производству работ и учёт зоны влияния — п. 12.1.1, с. 57; контроль показателей и допуски — табл. 12.1 в п. 12.8.5, с. 67–69); СП 48.13330 (организация строительства) [В: не подтверждено]; СП 381.1325800 (погружение элементов подпорных сооружений — п. 8.2.1, с. 54; стыкование при погружении — п. 8.2.4, с. 55; извлечение вблизи застройки — п. 8.2.6, с. 55–56). Состав ППР конкретизируется проектом производства работ актуальной редакции.

VII.6.2. Связь ППР с расчётом

[!] ППР не должен противоречить расчётной модели. Стадийность откопки в ППР обязана соответствовать стадиям, заложенным в расчёт (V.1, V.3). Если на стройке откапывают глубже отметки очередного яруса до установки распорки/анкера — фактическая схема опаснее расчётной. Граничные отметки откопки до установки опор — обязательная позиция ППР и предмет строительного контроля.

VII.6.3. Авторский надзор

Сопровождение на этапе строительства: сверка фактических грунтов с проектной моделью (III.6), контроль стадийности, реакция на данные мониторинга (IX), протоколы согласования отступлений.

VII.7. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не обоснован выбор способа погружения с учётом окружающей застройки.»

Что делать: пункт ППР «Выбор способа погружения» с обоснованием по грунтам и категории состояния соседних зданий; при вибропогружении рядом с застройкой — расчёт/прогноз вибраций и осадок, регламент мониторинга.

Замечание 2. «Не учтён тиксотропный эффект вибропогружения в глинах в расчёте.»

Что делать: в расчёте (V.6) — отдельная стадия установки с пониженными характеристиками грунта либо консервативные характеристики в зоне погружения.

Замечание 3. «Не приведён регламент извлечения шпунта и оценка влияния на застройку.»

Что делать: раздел «Извлечение шпунта» с оценкой осадок от полостей, мерами (тампонаж, поэтапность), мониторингом; при необходимости — обоснование отказа от извлечения.

Замечание 4. «Стадийность ППР не соответствует расчётной модели.»

Что делать: привести ППР в соответствие с расчётными стадиями; граничные отметки откопки до установки опор — явно в технологических картах.

Замечание 5. «Не предусмотрен демонтаж распорок/анкеров при обратной засыпке.»

Что делать: раздел ППР с поэтапным демонтажом, расчётом нагрузок на каждом этапе (V.3), контролем мониторинга.

VII.8. [?] Дискуссионные вопросы

1. Учёт тиксотропного эффекта количественно. Степень снижения прочности при вибропогружении в конкретной глине определяется ориентировочно; точное значение — по опытному погружению с мониторингом. Дискуссионна величина понижающего коэффициента.

2. Допустимый уровень вибраций для зданий категории II. Нормативные значения скорости колебаний дают «безопасный» порог, но реальная реакция здания зависит от его состояния; для памятников — индивидуальные пороги.

3. Граница целесообразности извлечения. При большой глубине и высоком износе извлечение может стоить дороже потери шпунта; критерий — технико-экономический, на обоснование.

4. Расчётный β_B и остаточное сечение для многооборотного шпунта. Нормативной методики учёта накопленного износа оборотного шпунта нет; применяется по обоснованию с фактическим контролем состояния.

Если есть вопросы: - по выбору способа погружения для конкретных грунтов и окружения; - по учёту тиксотропного/лидерного эффекта в расчёте; - по технико-экономическому сравнению «аренда vs покупка»; - по оценке пригодности и оборачиваемости извлечённого шпунта; - по подбору спецтехники под профиль Шпунта ;

— проектировщик консультирует бесплатно, выполняет расчёт «аренда vs покупка» и оценку оборачиваемости.

VII.10. Литература к части

1. СП 45.13330. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
2. СП 48.13330. Организация строительства.
3. СП 381.1325800. Сооружения подпорные. Правила проектирования.
4. СП 22.13330. Основания зданий и сооружений (вибрации, деформации).
5. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. — СПб.: Политехника.
6. Перлей Е.М. Свайные фундаменты и заглубленные сооружения при реконструкции.
7. Пособие по производству свайных работ (НИИОСП).

Зарубежные (справочно): 8. Зарубежные отраслевые справочники и руководства по проектированию шпунтовых ограждений (для сравнительного анализа практики; справочно). 9. EAU 2020 (DGGT). Recommendations of the Committee for Waterfront Structures. 10. ICE Manual of Geotechnical Engineering. — London: ICE Publishing.

Нормы: СП 45.13330, СП 48.13330, СП 381.1325800, ГОСТ Р 57365, СП 22.13330, ГОСТ Р 58034, СП 16.13330

Часть VIII. Долговечность и антикоррозионная защита

Для временного шпунтового ограждения (строительный период 6–24 мес) коррозия пренебрежимо мала. Для постоянного сооружения (набережная, причал, постоянная подпорная стена со сроком службы 25–100 лет) коррозионный износ стали — определяющий …

VIII.0. Введение

Для временного шпунтового ограждения (строительный период 6–24 мес) коррозия пренебрежимо мала. Для постоянного сооружения (набережная, причал, постоянная подпорная стена со сроком службы 25–100 лет) коррозионный износ стали — определяющий фактор долговечности и часто решающий при выборе профиля: шпунт, проходящий по прочности в начальном состоянии, через 30–50 лет может её не обеспечить.

Эта часть устанавливает: как определяется коррозионная агрессивность среды, как рассчитывается коррозионный износ и остаточное сечение на срок службы, какие системы защиты применяются, специфику гидротехнических и морских сооружений.

Связь с другими частями: расчёт остаточного сечения — вход в проверку прочности (глава V.7); зоны коррозии — функция гидрогеологии (Часть III); герметизация замков — узлы (Часть VI), технология (Часть VII).

VIII.1. Коррозионная агрессивность среды

VIII.1.1. Нормативная база

• СП 28.13330 «Защита строительных конструкций от коррозии» — основной документ, категории агрессивности. Степени агрессивного воздействия среды на металлические конструкции — п. 9.1.1, с. 35–36 (таблицы Х.1–Х.5, в т.ч. табл. Х.5 — подземные воды и грунты на конструкции из углеродистой стали — прил. Х, с. 90–96).
• ГОСТ 9.602 — единая система защиты от коррозии (подземные сооружения). Область применения прямо включает сваи, шпунты, колонны и другие несущие стальные подземные конструкции — п. 1 (Область применения), с. 3.
• СП 381.1325800 — требования к долговечности подпорных сооружений: для постоянных сооружений предусматривать антикоррозийную защиту на расчётный срок службы — п. 8.1.3, с. 54; общие требования долговечности — п. 4.1.2, с. 9.
• СП 38.13330 / СП 23.13330 — для гидротехнических сооружений.

VIII.1.2. Категории агрессивности и зоны коррозии

Коррозионный износ шпунта неравномерен по высоте. Для сооружения в воде различают характерные зоны:

Источник: СП 28.13330 (классификация сред эксплуатации, зона переменного уровня воды XS3 — прил. A, табл. A.1, с. 44–47; повышение степени агрессивности на один уровень при периодическом смачивании в зоне прибоя и приливно-отливной зоне — прил. Х, табл. Х.3, прим. 3, с. 90–96); ГОСТ 9.602; Будин А.Я. Городские и портовые набережные [В: не подтверждено].

[!] Критична зона переменного смачивания. Максимальный износ — не под водой и не на воздухе, а в зоне периодического смачивания/высыхания (постоянный доступ кислорода + влага). Расчёт «по средней скорости коррозии» недооценивает локальное ослабление сечения именно в этой зоне — а она часто совпадает с зоной максимального изгибающего момента.

VIII.1.3. Факторы агрессивности

• среда: атмосфера / грунт / пресная вода / морская вода;
• для грунта: влажность, аэрация, pH, удельное электросопротивление, наличие агрессивных ионов (хлориды, сульфаты), блуждающие токи;
• для воды: солёность, pH, содержание растворённого кислорода, скорость течения, биологическая активность;
• температура, циклы замораживания-оттаивания.

Категория агрессивности (от «неагрессивная» до «сильноагрессивная») назначается по СП 28 на основе химического анализа грунта и воды (заказывается в составе инженерно-геологических изысканий (ИГИ) — Часть III). Показатели агрессивности даны для температуры 5–20 °С и скорости потока до 1,0 м/с; при превышении степень агрессивного воздействия повышается (СП 28.13330, п. 5.2.7, с. 15–16).

VIII.2. Расчёт коррозионного износа и остаточного сечения

VIII.2.1. Скорость коррозии

Типовые ориентировочные скорости одностороннего коррозионного износа (мм/год):

[В: точные числовые значения скоростей (мм/год) по первоисточнику не подтверждены — СП 28.13330 даёт категории агрессивности и системы защиты, но не табличные скорости коррозии в мм/год для стального шпунта; ориентир — EAU 2020 / EN 1993-5 актуальной редакции. Значения зависят от региона и подтверждаются обследованием аналогичных сооружений.]

Источник: СП 28.13330 (категории агрессивности среды на металлоконструкции — п. 9.1.1 и прил. Х, с. 35–36, 90–96; числовых скоростей коррозии в мм/год не содержит [В]); ГОСТ 9.602 (защита стальных свай/шпунтов от коррозии — п. 1, с. 3); СП 72.13330 (обследование, остаточное сечение) [В: не подтверждено]; Будин А.Я. Городские и портовые набережные [В: не подтверждено].

VIII.2.2. Суммарный износ

где \(v_{внеш}\), \(v_{внутр}\) — скорости коррозии с наружной и внутренней стороны (могут различаться: вода/грунт), \(T_{сл}\) — расчётный срок службы.

Остаточная толщина элемента: \(t_{ост} = t_0 - \Delta t_{корр}\). По остаточным толщинам полки и стенки пересчитывается остаточный момент сопротивления \(W_{ост}\) (нелинейно по геометрии профиля — точный пересчёт по сечению, не пропорция).

Источник: СП 28.13330 (категории агрессивности — прил. Х, с. 90–96; числовых скоростей коррозии не содержит [В]); ГОСТ 9.602; СП 381.1325800 (увеличение сечения элемента с учётом развития коррозии в зависимости от срока эксплуатации — п. 7.3.7, с. 49); СП 72.13330 (оценка остаточного сечения при обследовании) [В: не подтверждено]; Будин А.Я. Городские и портовые набережные [В: не подтверждено].

VIII.2.3. Связь с проверкой прочности (глава V.7)

Расчёт прочности постоянного сооружения ведётся на остаточное сечение в конце срока службы:

Источник: СП 16.13330 (расчётное сопротивление по пределу текучести \(R_y = R_{yn}/\gamma_m\) — п. 6.1, табл. 2, с. 16; коэффициент условий работы \(\gamma_c\) и коэффициент надёжности \(\gamma_n=1{,}3\) — п. 4.3.2, с. 13); ГОСТ 27772 (нормативные значения предела текучести по классу прочности стали — п. 6.1.4, с. 23); СП 381.1325800 (подпорные сооружения — антикоррозийная защита постоянных сооружений на расчётный срок службы, п. 8.1.3, с. 54); Снитко Н.К. Статика и динамика подпорных стен [В: не подтверждено]; Будин А.Я. Городские и портовые набережные [В: не подтверждено].

[!] Профиль подбирается по сечению в конце срока службы, а не в начале. Пример (из главы V.7): Шпунт 622Т, постоянное сооружение, 50 лет, обводнённый грунт — снижение W на 17–20%. Если в начальном состоянии запас по моменту был 1,3, в конце срока службы он может опуститься ниже 1,0 — сооружение не пройдёт. Расчёт без учёта коррозии для постоянного сооружения — грубая ошибка.

VIII.2.4. Зональный расчёт

Для ответственных сооружений (причалы, набережные) расчёт ведётся по зонам: в каждой зоне (атмосфера, переменное смачивание, погружение, грунт) своя скорость коррозии и своё остаточное сечение. Критическое сечение определяется совмещением эпюры момента (глава IV, V) с распределением остаточной толщины по высоте — максимум момента нередко попадает в зону максимальной коррозии.

VIII.3. Системы антикоррозионной защиты

Источник: СП 28.13330 (способы защиты от коррозии металлоконструкций — п. 9.2 и табл. Ц.6, с. 36, 96–109; группы и толщины ЛКП — прил. Ц, табл. Ц.1, с. 96–109; минимальная толщина листов без защиты от коррозии — табл. Х.8, с. 90–96); ГОСТ 9.602 (электрохимическая/протекторная защита подземных стальных сооружений, включая шпунты — п. 1 и разд. 8, с. 3, 17); СП 381.1325800 (антикоррозийная защита постоянных распорных систем на срок службы — п. 7.2.3, с. 42); СП 72.13330 (защита от коррозии при строительстве и эксплуатации) [В: не подтверждено]; Будин А.Я. Городские и портовые набережные [В: не подтверждено].

VIII.3.1. Комбинирование защиты

Типовая практика для морского причала: припуск на коррозию (зона погружения и грунта) + ЛКП (атмосфера и переменное смачивание) + катодная защита (постоянное погружение). Каждая зона защищается оптимальным для неё методом.

[!] ЛКП не вечно. Лакокрасочное покрытие имеет ограниченный срок и требует возобновления в процессе эксплуатации (доступ, ремонтопригодность). Расчёт долговечности с опорой только на ЛКП без регламента его возобновления — некорректен. Для зон без доступа к обслуживанию — припуск на коррозию или спецсталь. Нормативное основание: конструкции должны быть доступны для осмотров и возобновления защитных покрытий, иначе — защита на весь период эксплуатации (СП 28.13330, п. 9.2.3, с. 36).

VIII.4. Совместимость покрытий с герметизацией замков

Для гидротехнических и противофильтрационных сооружений критична водонепроницаемость замкового соединения (связь с V.8 — фильтрация; VI — узлы; VII — технология). Применяются:

• замковые герметики (битумно-полимерные, полиуретановые составы, набухающие профили);
• сварка замков (даёт и герметичность, и β_B = 1,0 — глава V.7);
• совместимость ЛКП и замкового герметика — обязательная проверка (некоторые ЛКП несовместимы с битумными составами).

[!] Сварка замков снижает оборачиваемость. Для постоянного сооружения сварка замков оптимальна (герметичность + полный момент сопротивления). Для арендного шпунта сварка замков затрудняет извлечение и снижает оборачиваемость (Часть VII) — решение принимается с учётом «временное/постоянное».

VIII.5. Особенности для гидротехнических и морских сооружений

VIII.5.1. Морская среда

• агрессивность максимальна; зональный расчёт обязателен;
• зона прилива/брызг — самая опасная, требует усиленной защиты;
• катодная защита для подводной зоны — практически обязательна для ответственных причалов;
• учёт биообрастания и микробиологической коррозии;
• циклические нагрузки (волны, навал судов, лёд) — совместно с коррозией снижают усталостную долговечность (связь с особым сочетанием — Часть IV, V.10).

VIII.5.2. Речные и пресноводные

• агрессивность ниже морской, но зона переменного смачивания (сезонные/паводковые колебания уровня) остаётся критичной;
• ледовое истирание в зоне переменного уровня — дополнительный механический износ к коррозионному;
• учёт сезонной амплитуды уровня воды (связь с Частью III — гидрогеология).

VIII.5.3. Срок службы и обследование

Постоянное сооружение требует периодического обследования коррозионного состояния (УЗ-толщинометрия по зонам) с интервалом, установленным проектом (обычно 5 лет; при превышении 50% срока службы — чаще). Связь с Частью IX — долгосрочный мониторинг постоянных сооружений.

VIII.6. [Э] Замечания экспертизы

Замечание 1. «Не учтён коррозионный износ для постоянного сооружения.»

Что делать: расчёт остаточного сечения на конец срока службы по зонам; проверка прочности (V.7) по \(W_{ост}\).

Замечание 2. «Применена средняя скорость коррозии без зонального расчёта.»

Что делать: зональный расчёт (атмосфера / переменное смачивание / погружение / грунт); критическое сечение — совмещение эпюры момента с зоной максимальной коррозии.

Замечание 3. «Долговечность обоснована только ЛКП без регламента возобновления.»

Что делать: для зон без доступа к обслуживанию — припуск на коррозию или спецсталь; для ЛКП — регламент возобновления в составе эксплуатационной документации.

Замечание 4. «Не назначена категория агрессивности среды.»

Что делать: химический анализ грунта и воды в составе ИГИ; назначение категории по СП 28; выбор системы защиты по категории.

Замечание 5. «Не обеспечена водонепроницаемость замков для противофильтрационного сооружения.»

Что делать: герметизация/сварка замков; проверка совместимости с ЛКП; связь с расчётом фильтрации (V.8).

VIII.7. [?] Дискуссионные вопросы

1. Скорости коррозии — нормативные vs региональные. Табличные значения СП/ГОСТ обобщённы; реальная скорость для конкретного водоёма/грунта определяется обследованием аналогов. Дискуссионен выбор расчётной скорости при отсутствии региональных данных.

2. Учёт неравномерности коррозии (питтинг). Локальная язвенная коррозия может ослаблять сечение сильнее равномерного износа, но нормативно учитывается упрощённо. Для ответственных объектов — обоснование запасом.

3. Российские коррозионностойкие конструкционные стали. Применимость и реальная эффективность отечественных марок повышенной коррозионной стойкости — на обоснование с подтверждением сертификатами и опытом эксплуатации.

4. Совместный учёт коррозии и усталости для циклически нагруженных морских сооружений — методически сложная задача, в нормативах РФ отражена ограниченно.