17.3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Для составления проекта анкерного крепления какого-либо сооружения необходимы исходные данные:

• – генеральный план площадки с нанесенными на нем коммуникациями и контурами проектируемого сооружения, существующих зданий и сооружений, а также отметками их заложения;
• – габариты, назначение, класс и эксплуатационные нагрузки проектируемого сооружения;
• – конструкции фундаментов и несущих элементов существующих сооружений, а также нагрузки на них;
• – нагрузки на призме обрушения котлована;
• – отчет по инженерно-геологическим изысканиям на строительной площадке, который должен содержать геологические разрезы, отражающие все грунтовые прослойки и напластования; мощности слоев и их наклон, оценку возможного наличия в грунтах крупных включений валунов с их качественной характеристикой (размер, прочность и др.); физико-механические характеристики грунтов, слагающих толщу строительной площадки; сезонные колебания уровня подземных вод; степень агрессивности подземных вод и прогноз ее повышения на период эксплуатации анкеров.

При проектировании анкеров должны быть обеспечены следующие требования:

• – достаточная несущая способность анкеров для восприятия усилий, действующих на анкеруемое сооружение;
• – расположение зоны заделки анкера за пределами возможной призмы обрушения грунта;
• – тщательная защита анкера от коррозии;
• – надежный контакт между конструкцией анкера и окружающим грунтом в зоне заделки.

Кроме того, необходимо учитывать назначение анкеров, условия производства работ и продолжительность эксплуатации.

Анкеры можно применять в различных грунтах, за исключением набухающих, просадочных и сильносжимаемых грунтов, илов, торфов и глин текучей консистенции.

При проектировании анкерных креплений проводят:

• – расчет анкеруемого сооружения на прочность методом «упругой линии», изложенным в гл. 16, который определяет равнодействующую активного давления Е_а грунта на сооружение, выдергивающее усилие N_a в месте крепления анкера и глубину заделки сооружения в грунт ниже дна котлована;
• – проверку общей устойчивости сооружения на сдвиг при скольжении по круглоцилиндрическим поверхностям с учетом предварительного расположения анкеров в массиве грунта;
• – определение длины зоны заделки и площади поперечного сечения, исходя из приложенной к нему нагрузки, несущей способности грунта основания и материала анкерной тяги.

Расчет конструкций анкеров и их оснований выполняют по первому предельному состоянию с учетом коэффициентов надежности γ_m = γ_g = 2,0 для постоянных анкеров и γ_m = γ_g = 1,5 для временных [5].

Оптимальное положение анкера в грунте (рис. 17.6), т.е. угол его наклона ω и полную длину l_a включающую длину свободной части анкера l_f и длину зоны заделки l_b, подбирают при расчете общей устойчивости системы «стена–грунт–анкер» на опрокидывание вокруг низа анкеруемого сооружения исходя из условия, что прочность грунтов на сдвиг в системе преодолена и образуется «глубокая линия скольжения» (метод Кранца).

За «глубокую линию скольжения» принимают прямую между точкой b поворота анкеруемого сооружения и точкой c (подошвой фиктивной анкерной стенки ce), проходящую через середину зоны заделки анкера под углом β к горизонтали.

Построенный из условия равновесия заштрихованной призмы abce силовой многоугольник включает массу m грунта над «глубокой линией скольжения», равнодействующую активного давления Е_а грунта на анкеруемое сооружение, силу реакции F_sr массы грунта над «глубокой линией скольжения», несущую способность F_b, анкера в зоне заделки и равнодействующую активного давления Е´_a грунта на фиктивную анкерную стенку. Решение силового многоугольника позволяет определить горизонтальную проекцию F_bx несущей способности анкера в зоне заделки, которая приводит заштрихованную призму в состояние предельной устойчивости:

где f = 1/[ctg(φ – β)] + tgω;

(здесь V — объем призмы грунта над «глубокой линией скольжения» между анкеруемым сооружением и фиктивной анкерной стенкой; q´ — равномерно распределенная вертикальная пригрузка. учитываемая при подсчете массы грунта в случае β > φ); g = ctg(φ – β) – tgδ (где δ — угол трения грунта по поверхности анкеруемого сооружении); E_ах — горизонтальная проекция равнодействующей активного давления грунта на анкеруемое сооружение; Е´_ax — то же, на фиктивную анкерную стенку.

Коэффициент устойчивости системы «стена–грунт–анкер» на опрокидывание K_s вокруг низа анкеруемого сооружения определяют из отношения K_s = F_bx/N_ax ≥ γ_g.

Устойчивость на опрокидывание многократно заанкеренных сооружений проверяют по «глубоким линиям скольжения», соответствующим расположению анкеров.

Ниже рассматриваются способы определения устойчивости сооружения для четырех вариантов расположения анкеров при двухъярусном анкеровании.

Вариант I. Верхний анкер короче нижнего и находится в пределах призмы обрушения abfh (рис. 17.7). Угол наклона β´ линии скольжения bc больше угла наклона β´´ линии скольжения bf.

Коэффициент устойчивости по линии скольжения bc (см. рис. 17.7. а) определяют по формуле

K_s = F´_bx/N´_ax;

коэффициент устойчивости по линии скольжения bf (см. рис. 17.7, б) оценивают отношением

K_s = F´´_bx/(N´_ax + N´´_ax).

Вариант II. Верхний анкер длиннее нижнего, но середина его зоны заделки лежит внутри активного клина обрушения нижнего анкера. В этом случае устойчивость по обеим линиям скольжения определяют как и для варианта I.

Вариант III. Верхний анкер лежит вне пределов активного клина обрушения hfg (рис. 17.8). Угол наклона β´ линии скольжения bc больше угла наклона β´ линии скольжения bf.

Здесь коэффициент устойчивости по линии скольжения be (см. рис. 17.8, а) составит:

K_s = F´_bx/(N´_ax + N´´_ax).

От нижнего анкера могут исходить две линии скольжения: bf и bfс (см. рис. 17.8, б).

Для первой из них фактическое усилие F´_b в зоне заделки верхнего анкера не влияет на призму обрушения abfh, поэтому коэффициент устойчивости по линии скольжения bf определяют по формуле

K_s = F´´_bx/N´´_ax.

Коэффициент устойчивости по линии скольжения bfc (см. рис. 17.8, в) составит:

K_s = (F´´_bx + F´´´_bx/(N´_ax + N´´_ax).

Вариант IV. Площадка сложена сверху слабыми грунтами, поэтому верхний анкер получается настолько длинным (рис. 17.9), что угол наклона β´ линии скольжения bc меньше угла наклона β´´ линии скольжения bf. В этом случае коэффициент устойчивости по линии скольжения be (см. рис. 17.9, а) вычисляют по выражению

K_s = F´_bx/(N´_ax + N´´_ax).

Коэффициент устойчивости по нижней линии скольжения bf (см. рис. 17.9, б) определяют по формуле

K_s = F´´_bx/N´´_ax.

Устойчивость по линии скольжения bfc рассматривать нет необходимости, так как устойчивость по прямой bf менее благоприятна, чем по ломаной bfc.

Допускаемое усилие в анкере обусловлено, с одной стороны, прочностью материала анкерной тяги, а с другой стороны, несущей способностью зоны заделки в грунте. Сечение анкерной тяги рассчитывают обычными методами сопротивления материалов.

Несущую способность зоны заделки анкера институт Фундаментпроект Минмонтажспецстроя СССР рекомендует определять исходя из условий работы зоны заделки на выдергивание с учетом сопротивления трения по боковой поверхности и напряженного состояния окружающего грунта, которое зависит от избыточного давления при инъецировании цементного раствора, по формуле

где k — коэффициент однородности грунта, равный 0,6; m_p — коэффициент, учитывающий напряженное состояние окружающего грунта в зависимости от давления при инъецировании (для песков 0,5; для глин различной консистенции 0,4—0,2); d — диаметр скважины, р_b — величина избыточного давления в зоне заделки при инъецировании.

ЦНИИС Минтрансстроя СССР рекомендует определять несущую способность зоны заделки анкера из следующих зависимостей:

;

,

где d_b — диаметр зоны заделки с учетом объема закачанного раствора; H_b — глубина расположения зоны заделки анкера; λ_a — коэффициент бокового давления грунта; V_b — объем закачанного раствора; а — коэффициент пористости грунта.

ВНИИГС Минмонтажспецстроя СССР предлагает для определения несущей способности анкеров использовать зависимости, в основе которых лежит методика расчета винтовых и забивных свай на выдергивающую нагрузку [2, 7].

Изложенные методы определения несущей способности анкеров могут быть использованы только для предварительных расчетов, поэтому размеры зоны заделки рекомендуется назначать после проведения испытаний опытных анкеров.

При проектировании анкеров рекомендуется, используя зарубежный опыт, учитывать следующее:

а) для анкеров в несвязных грунтах:

• – технология проходки скважины для установки анкера не оказывает влияния на его несущую способность;
• – с увеличением диаметра зоны заделки более 10 см несущая способность анкера возрастает незначительно, а при увеличении диаметра более 15 см практически не возрастает;
• – при определенном виде грунта несущая способность анкера быстро увеличивается по мере повышения плотности грунта;
• – при постоянной плотности грунта несущая способность анкера возрастает с увеличением неоднородности зернового состава грунта;
• – с увеличением длины зоны заделки несущая способность анкера возрастает непропорционально и при длине зоны заделки более 6—7 м становится экономически невыгодной (рис. 17.10);

б) для анкеров в связных грунтах:

• – отношение средней величины трения по боковой поверхности к общей площади анкера не зависит от диаметра в пределах 9—16 см, т.е. несущая способность анкера возрастает примерно пропорционально диаметру зоны заделки;
• – трение до 100 кН/м² по боковой поверхности не зависит от длины зоны заделки, далее с увеличением длины зоны заделки возможно незначительное его уменьшение, но при грубых расчетах эта величина может быть принята постоянной;
• – трение по боковой поверхности возрастает с уменьшением пластичности и увеличением консистенции связных грунтов;
• – трение по боковой поверхности может быть существенно повышено в результате повторной инъекции.

Расстояние между анкерами в ярусе и число ярусов определяют исходя из нагрузок, действующих на ограждение котлована, и корректируют после получения результатов испытаний опытных анкеров. При этом возникает вопрос: использовать ли анкеры с более высокой несущей способностью и соответственно с большими интервалами между ними или, наоборот, использовать анкеры с меньшей способностью и с меньшими интервалами между ними. Здесь следует иметь в виду, что в первом случае значительно возрастает изгибающий момент и, следовательно, площадь поперечного сечения ограждающей конструкции, а во втором случае увеличивается число анкеров.

В каждом конкретном случае тип анкера, его несущая способность и технология изготовления должны рассматриваться совместно с расчетами конструкции котлована, определяться технико-экономическим расчетом и проверяться опытными работами.