Подпорни стени: видове, конструкции и функции

Избор на подходяща подпорна стена

Подпорната стена е стена, която задържа земята или водата от едната си страна. Надземните подпорни стени са вертикални или почти вертикални конструкции, предназначени да създават равни зони на наклонени места.

Системите за подпорни стени се използват в геотехническото инженерство предимно за укрепване на почвата, увеличаване на нейната носеща способност и увеличаване на устойчивостта на почвата при различно слягане..

Подпорните стени са проектирани да създават равни зони на наклонени места, да осигурят допълнителна опора на естествени склонове, изложени на риск от пропадане , и да помогнат за максимизиране на пространството за развитие, създавайки тераси за инфраструктура, която да минава по склоновете. Те също помагат за оформянето на стените на мазета , подземни паркинги и метростанции в градовете..

Подпорните стени са проектирани да задържат почвата или инженерния пълнеж под ъгъл, по-стръмен от ъгъла на покой на материала – най-стръмният ъгъл, който може да поддържа естествено, без да се провали. За да направят това, те трябва да могат да издържат на хоризонталния – или страничен – земен натиск, упражняван от материала, който се задържа.

Страничното земно налягане зависи от вертикалното напрежение, наложено от материала зад стената, което е функция на височината на обратния насип и неговата плътност. От това следва, че най-големият страничен земен натиск се упражнява в основата на стената, тъй като колкото по-дълбоко е засипката, толкова по-голямо е вертикалното напрежение.

Какви са различните видове подпорни стени?
Подпорните стени се предлагат във всички видове, форми и размери, от обикновени гравитационни стени до сондажни стени за сутерени и земни подпорни стени, използващи геомрежи . Всеки тип е проектиран да отговаря на специфичните нужди на даден проект според условията на обекта.

Четирите основни вида подпорни стени са гравитационни подпорни стени, конзолни подпорни стени, вградени подпорни стени и подсилени почвени подпорни стени.

Гравитационни подпорни стени.
Гравитационните подпорни стени използват гравитационната сила на собственото си тегло, за да устоят на страничния земен натиск от почвата зад тях, което предотвратява преобръщане и плъзгане. Те са най-простият и най-ранният записан тип подпорна стена.

Изградени от бетон, зидария, тухли, блокове или масивен бетон, излят на място, тези издръжливи конструкции разчитат на голямото си тегло, за да устоят на преобръщане и плъзгане, причинени от страничното земно налягане от почвата зад тях.

Гравитационните подпорни стени обикновено са проектирани да бъдат по-широки в основата си, с наклонени лица, което им позволява да устоят на по-високите странични земни налягания в дълбочина. Като такава, този тип подпорна стена е лесна за изграждане и е подходяща за задържани височини до около 3 м.

Въпреки предимствата си, гравитационните подпорни стени не са подходящи за задържани височини над 3м. Ако са построени по-високо, поддържащите конструкции са склонни да заемат твърде много място и в крайна сметка могат да се окажат твърде тежки за земята отдолу, което води до нарушаване на носещата способност . В крайна сметка това може да доведе до невъзможност стената да задържи почвата.

Конзолни подпорни стени
Конзолните стени са изградени от стоманобетон с L-образна или обърната Т-образна основа. Този вид подпорна стена се състои от стебло и основна плоча (или основа), която се намира под обратния насип. Вертикалното напрежение зад стената се прехвърля върху основата, предотвратявайки преобръщане поради странично земно налягане от същата почвена маса, което позволява на конзолните стени да стоят безпрепятствени.

Освен това Т-образната основа се възползва от тежестта на почвата (и следователно от вертикалното напрежение) пред стената, осигурявайки допълнителна стабилност на подпорната конструкция. Фундаментите понякога включват „ключ“ в основата си, който се забива в земята, за да предотврати повреда при плъзгане.

Голямо предимство на конзолните стени в сравнение с други видове подпорни стени е, че те заемат малко място, след като са построени, и са подходящи за задържани височини до 5m. Конструкцията обаче изисква пространство зад стената, така че тези подпорни стени не са особено подходящи за поддържане на съществуващи склонове, освен ако не е осигурена временна опора по време на строителството.
Вградени подпорни стени
Вградените подпорни стени се простират по-дълбоко от изкопа, за да се възползват от пасивния земен натиск на земята отдолу. В някои случаи вградените стени могат да се простират до 40 метра дълбочина. Този тип подпорна стена се използва за оформяне на подземни конструкции в близост до повърхността, като мазета, паркинги и метростанции.

Вградените подпорни стени работят, като противодействат на активния земен натиск, упражняван върху стената отгоре. Допълнителна опора се осигурява на тези подпорни конструкции чрез вътрешни подпори – обикновено от основната плоча, земната плоча и всякакви междинни подови плочи – или чрез земни анкери, монтирани през стената.

Те могат да бъдат построени с помощта на редица различни методи, в зависимост от условията на почвата, колко водонепропусклив трябва да бъде изкопът, конструктивността (т.е. време, цена и метод на изкопаване) и необходимата запазена дълбочина.

За поддържане на подпорни стени могат да се използват различни видове методи за натрупване . За дълбоки изкопи методите включват диафрагмени стени и панели, както и сондажни бетонни пилоти, където пилотите са или преплетени (секущи) или монтирани една до друга (съседни). За плитки и временни изкопи обикновено се използват шпунтови стени и стени с кралски стълб

Укрепена почва или механично стабилизирана земя, подпорни стени
Подсилените почвени подпорни стени , понякога наричани механично стабилизирани земни стени, са изградени с помощта на слоеве от георешетка за укрепване на почвата в стабилизирана маса. Това увеличава носещата способност на подпорната конструкция, заедно с нейната устойчивост на различно слягане .
Подсилените почвени конструкции имат по-ниски налягания на лагери, което може да премахне необходимостта от скъпи основи. Вместо това, геомрежите са механично свързани с набор от облицовки, включително сглобяеми бетонни блокове и панели, габиони и стени за детски легла, в зависимост от естетическите изисквания на проекта.

Предимствата на стените, подсилени с георешетка
Носещите подсилени почвени стени могат да намалят строителните разходи с до 75% и наполовина времето за изграждане в сравнение с традиционните видове подпорни стени.
Подсилената почва се превръща в стандартен начин за оформяне на рентабилни стени и опори на мостове по пътища и железопътни линии, вместо по-традиционните варианти, които често включват пилоти и стоманобетон.

Естетика
Ще бъде възможно да се избере тип структура на подпорна стена, която ще бъде съобразена с местоположението и ще подобри местната среда, където е подходящо.

Ето няколко въпроса, които можете да си зададете по отношение на естетиката, когато избирате подпорна стена:

Какво е подходящо за местоположението и средата?
Има ли съседни структури или характеристики, които трябва да се вземат предвид?
Новата структура ще бъде ли видна и добре видима за обществеността?
Дали структура със зелено лице (растителна) ще подобри местната среда или не е на място?
Високата вертикална конструкция би била ли плашеща за пешеходците, за разлика от стъпаловидно лице или стръмен наклон?

Проектиран живот и издръжливост
Проектирането на структурата, за да отговаря на необходимия експлоатационен живот и отчитането на издръжливостта на всички компоненти, разбира се, е от решаващо значение. Сертифицирането на системи от признати органи като British Board of Agrément (BBA) може да осигури ценно потвърждение за пригодността на методите и материалите.

Ето няколко въпроса, които можете да си зададете по отношение на проектния живот, когато избирате подпорна стена:

Колко дълго трябва да издържи подпорната стена?
Всички компоненти достатъчно издръжливи ли са?
Какво ниво на инспекция и поддръжка е подходящо и вероятно ще бъде осигурено през целия живот на конструкцията?
Как структурата в крайна сметка ще бъде демонтирана и изхвърлена с минимални смущения и разходи?
Ако конструкцията е временна, проектът напълно ли е разпознал това, за да осигури минимални разходи (както строителство, така и премахване)?

Налично място за строителство
Чрез внимателно проучване на специфичните за обекта ограничения и най-доброто използване на пространството. Може да се приеме решение за подпорна стена, което най-добре отговаря на нуждите на всички заинтересовани страни.

Ето няколко въпроса, които можете да си зададете по отношение на отпечатъка, когато избирате подпорна стена:

Какви са пространствените ограничения – по време на строителството и за завършената конструкция?
Има ли икономическа или практическа полза от минимизиране на отпечатъка или площта, заета от структурата?
Има ли достатъчно пространство, което да позволи използването на стръмен наклон на по-ниска цена от вертикална стена?
Има ли място за кран и по-голяма инсталация по време на строителството или достъпът е проблем – предпочитат се решения, които изискват само по-малка инсталация и оборудване?
Дали конструкцията поддържа насип или изкоп – възможно ли е прекомерно изкопаване, за да се улесни изграждането на определени видове конструкции?

Геотехнически съображения
Ясно е, че адекватната геотехническа информация е от решаващо значение за разработването на най-подходящия и рентабилен дизайн на подпорна стена.

Ето няколко въпроса, които можете да си зададете по отношение на геотехническите съображения при избора на подпорна стена:

Какви са почвените условия на основата?
Може да са необходими набивни основи за определени типове конструкции – това рентабилно ли е и може ли да се избегне?
Подпочвените води ще бъдат ли проблем – как ще се реши това?
Има ли налични подходящи структурни пълнежни материали в рамките на обекта или на местно ниво от рециклирани материали – могат ли те да бъдат използвани?

Бюджетни ограничения
Като цяло конструкциите със стръмен наклон могат да бъдат изградени на по-ниска цена от вертикалните стени. Конструкции, изискващи набивни или твърди основи, са по-скъпи от тези, които не изискват основа.

Конструкциите с твърда повърхност, използващи бетон или зидария, са по-скъпи за изграждане от конструкциите със зелена повърхност или гъвкава повърхност. Въпреки това, в зависимост от вида и местоположението, може да се изисква известно ниво на поддръжка за структури със зелено лице, така че това трябва да се вземе предвид.

Разходите за изграждане на различни решения за подпорни стени варират значително и е важно да се проучат алтернативите и да се определи най-подходящата цена за целия живот, която отговаря на всички горепосочени ограничения и съображения.

Ръководство за проектиране и съображения за конструкцията на подпорни стени
Въпреки че подпорната стена е проектирана да издържи на активния земен натиск, без подходящ анализ и внимателно обмисляне на дизайна, конструкцията може да се провали. За да избегнете повреда на подпорната стена, има някои други съображения, които трябва да вземете предвид, включително наличието на подземни води, носещата способност на земята и съпротивлението на плъзгане.

Страничен земен натиск
Ако страничното земно налягане се увеличи до точка, в която е по-високо, отколкото стената може да устои, това може да доведе до падане или преобръщане на стената. Поради тази причина, когато проектират подпорни стени, инженерите трябва да анализират страничното земно налягане и да го вземат предвид в своите планове.

Видове страничен земен натиск:
Инженерите се интересуват от три вида страничен земен натиск по отношение на подпорните стени:

Земен натиск в покой : Когато стената е „в покой“ и обратният насип не е претърпял значителни движения след строителството.
Активен земен натиск : Ако стената се отдалечи от обратния насип, страничният земен натиск пада, докато достигне минимум. Това е активният земен натиск – след тази точка ще настъпи повреда.
Пасивен земен натиск : Ако стената се премести в обратния насип, налягането се увеличава, докато достигне максимална стойност, равна на максималното съпротивление на почвата – това е пасивният земен натиск. При вградените стени, които обикновено се използват за мазета, пасивният земен натиск е важен фактор за стабилност.

Подпочвени води и порно налягане
Подпочвените води са ключово съображение при проектирането, тъй като те са една от основните причини за повреда на подпорната стена, особено при използване на уплътнен глинен пълнеж.

Пълнежът от глина, уплътнен до нормална спецификация за земни работи, вероятно ще има отрицателно налягане на порите до значителни височини. Вероятно е налягането на порите да стане положително само в основата на много високи структури (повече от 10 m до 15 m височина) или на по-ниски височини, ако глината е от мократа страна и следователно е мека по време на поставянето. Ако нивата на подземните води се покачат зад стената, налягането може да се увеличи над това, което стената е проектирана да задържа.

Вътрешният дренаж на склона трябва да позволява на водата да се оттича и не трябва да пропуска вода навътре. Той трябва да е проектиран да пресича потока на подпочвените води и да има свободно оттичане, което позволява на водата да се оттича лесно. Също така не трябва да има "дневна светлина" на горната повърхност на конструкцията, предотвратявайки изтичането на оттичане в пълнежа (оттичането трябва да се обработва от дренажи за повърхностна вода, за да се избегне образуването на езера).

Засмукването обикновено се игнорира при проектирането и така осигурява допълнителен марж срещу повреда или лоша работа на структурата. Всяко движение на почвена структура има потенциала да наруши или дори да обърне падането на дренаж, което може да доведе до обратно вливане на вода – нещо, което си струва да се вземе предвид при определяне на режими за поддръжка.

В резултат на това е добра идея да поддържате засмукване в дългосрочен план и да включите дренаж, за да позволите свободния поток на водата, за да предотвратите натрупване на налягане.

Носеща способност на земята
Носещият натиск върху земята е важно съображение, за да се гарантира, че земята отдолу има капацитета да издържи структурата на стената. Неуспехът да се изчисли носещата способност на почвата може да доведе до прекомерно слягане или пропадане на земята под стената.

Съпротивление на плъзгане
Ако няма достатъчно триене (или съпротивление при плъзгане) в основата на стената, това може да доведе до плъзгане на стената, което води до повреда. Както бе споменато по-рано, конзолните подпорни стени могат да бъдат изградени с Т-образна основа, включваща „ключ“ в основата им. Този ключ може да помогне за предотвратяване на повреда при плъзгане чрез опора странично към почвата, разширявайки пасивния натиск по-дълбоко в земята отдолу.
Една подпорна стена може да има проектен живот от 100 години или до 120 години.Освен че се вземат предвид горните фактори, важно е да се вземат предвид и всички бъдещи планове за сайта. Например, ако нещо ще бъде построено на земята над стената след изграждането му, проектът трябва да отчете по-голямо вертикално напрежение и следователно по-високо странично земно налягане, за да се гарантира, че подпорната стена остава стабилна..