Конструкции подпорных стенок фирм США и Европы

При современном градостроительстве необходимо озеленение крупных городских участков со сложным рельефом. Для проведения озеленительных работ в городах и поселках Беларуси вполне успешно можно использовать пространства с уклонами до 11-17°.


Рис. 1. Сборные железобетонные ряжевые подпорные стены типа Crib Walls; (а) и собираемые из Т-образных элементов (б): 1 - главный элемент, 2 - второстепенные элементы, 3 - грунтовая засыпка, 4 - уровень земляной засыпки, 5 - полка, 6 - ребристая стенка.


Рис. 2. Сборные железобетонные контрфорсные подпорные стены с треугольными контрфорсами (а) и консольными опорами (б).


Рис. 3. Внешний вид подпорной стенки из элементов Loffel.


Рис. 4. Внешние стенки из бетонных блоков.


Рис. 5. Этапы возведения подпорной стены из грунта, армированного геотекстилем: а - установка опалубки, б - укладка геотекстиля, в - частичная укладка и уплотнение грунта, г - накрытие грунта свободным краем геотекстиля, д - укладка и уплотнение остальной части слоя грунта, е - перенос опалубки для укладки следующего слоя грунта. 1 - наружная облицовка, 2 - насыпной грунт, 3 - армирующие полотнища геотекстиля, 4 - стальной уголок. 5 - деревянная стойка.

Формирование различных зеленых комплексов на склонах и откосах затруднено не только выполнением необходимых агротехнических мероприятий (подготовка почвы, внесение удобрений, посев и посадка, поливы), но и сложностями устройства проездов, прокладки дорожек и тропинок. Для надежного закрепления земляного полотна на склонах косогоров при крутизне их более 1:2 (26,5°) целесообразно создавать подпорные стенки. Правильно устроенные подпорные стенки обеспечивают высокую устойчивость откосов и насыпей, дорожек и проездов.

При выполнении комплекса вертикальной планировки пространства наряду с закреплением склонов им придают заданный профиль и устраивают террасы. Обработка склонов (их подрезка) и устройство террас неизбежно влекут за собой работы, связанные с обеспечением их сохранности, устойчивости, что достигается сооружением подпорных стенок.

Вот почему при грамотном выполнении экологического и декоративного благоустройства различных городских пространств с четко выраженным рельефом подпорные стенки имеют большое значение. Часто такие стенки используют как интересный архитектурный элемент.

Применяемые в ландшафтной архитектуре конструкции подпорных стенок весьма разнообразны. Как правило, они обусловливаются характером грунта, высоток, насыпи, материалом стенки и ее предназначением, а также размещением декоративных растений.

Подпорные стенки подразделяются на массивные, полумассивные, тонкоэлементные и тонкие.

Массивные подпорные стенки - это стенки, прочность и устойчивость которых под действием распора грунта обеспечивается в основном их собственной массой. По принципу работы к массивным подпорным стенкам относятся ряжевые подпорные стенки, которые собираются из сборных железобетонных элементов, образуя ряж, который заполняется грунтом.

Во Франции широкое применение находят ряжевые подпорные стенки из железобетонных элементов (стенки Пеллера), представляющие собой балочки различной длины с трапециедальным сочетанием 15х20 см. Преимущества стенок такой конструкции по сравнению с монолитными бетонными заключаются в том, что на них меньше расходуется бетона, они не разрушаются при подвижках, не нарушают водного режима склона (при дренирующей засыпке), просты в изготовлении, а также выигрывают и в эстетическом плане.

В США при возведении подпорных стенок различных сооружений нашли применение как традиционные монолитные, так и сборные железобетонные конструкции различных типов. В зависимости от условий местности, назначения сооружения и интенсивности нагрузок на него, строят подпорные стенки или механически усиленные грунтовыми анкерами, или гравитационные.

Для гравитационных подпорных стенок разработано значительное число конструктивных решений из сборного железобетона. Среди этих решений широко применяют конструкции ряжевых стенок.

Ряжевые подпорные стенки типа Crib Walls, применяемые в течение 40 лет, сооружают по принципу деревянного сруба (см. рис. 1). Главные элементы такой конструкции - прямолинейные балки с замковым утолщением по концам - укладывают перпендикулярно наружности стенок, а на них - гладкие прямолинейные балки, образующие вместе с главными балками решетчатые клети, заполняемые в наземных сооружениях песком, щебнем или грунтом, а в подводных - бетоном. Длина элементов сборной конструкции колеблется от 1,5 до 3,8 м. Опыт строительства ряжевых стенок типа Crib Walls показал, что их стоимость составляет 20-50% стоимости традиционных стенок из монолитного железобетона. Наиболее экономичны такие стенки при высоте 1,8-12,2 м. Для повышения устойчивости высокие стенки этого типа увеличивают по толщине еще одним или двумя рядами решетчатых клетей (см. рис. 1а).

Другой вид ряжевых подпорных стенок, разработанных и внедреных на автотрассах США в последнее время, - стенки типа Moduwall Precast Concrete Retaining Wall System. Они собираются из объемных блоков ящичного типа с наружной вертикальной глухой стенкой высотой 1,5 м, шириной 2,3 м. Глубина (толщина) подпорной стенки уменьшается снизу вверх по ее высоте так, что с обратной стороны стенка имеет ступенчатое очертание. По мере возведения стенки блоки засыпают грунтом.

Фирмой "The Neel Company" (США) внедрена новая конструкция сборных подпорных стенок из Т-образных элементов с полкой размерами 1,52х0,76 м и ребристой стенкой высотой (по глубине стенки) от 1,2 до 6 м (см. рис. 1б). Благодаря наличию ребер повышаются силы трения между стенкой и засыпным грунтом. Высота стенок указанной конструкции достигает 8,2 м.

Разновидностью сборных железобетонных подпорных ряжевых стенок являются стенки штабельного типа фирмы "Evergreene Systems Inc.", собираемые из железобетонных ребристых плит типа три Т. За последние 11 лет в Швейцарии и других европейских странах сооружено более 300 подпорных стенок этой конструкции. В США построено 16 таких сооружений, самое высокое из которых достигает 16,5 м.

Кроме ряжевых подпорных стенок из сборного железобетона выполняют также контрфорсные стенки. Фирмой "Stresswall International Inc." (США) разработана и внедряется конструкция стенок с треугольными контрфорсами и прямолинейными или криволинейными наружными панелями (см. рис. 2). Высота сооруженных стенок достигает 21,3 м.

На рис. 2б показана сборная железобетонная контрфорсная подпорная стенка из ребристых панелей высотой до 3 м с двухконсольным основанием, применяемая фирмой "Chase Precast Corp." (США).

Широко применяют шпунтовые подпорные стенки нескольких типов, в том числе стенки, собираемые из панелей, состоящих из плоской плиты толщиной 10 см и стойки с одной стороны сечением 30,5х30,5 см, имеющей боковой вертикальный паз, куда входит смежная панель стены. Высота стен этого типа достигает 3,6 м. При этой высоте шаг стоек равен 1,5 м.

Шпунтовые стенки другого типа высотой до 3 м собирают из отдельных стоек, установленных с шагом 2,7 м в гнезда железобетонных лежней и прямолинейных балочных элементов, укладываемых в двусторонние пазы стоек.

Ряд американских фирм специализируются на возведении подпорных стенок из бетонных блоков и камней. Такими стенками укрепляют, например, естественные склоны в городской застройке. Так, фирма "Evercrete Limited" для стенок высотой до 3 м выпускает бетонные блоки размерами 20,3х20,3х61 см с горизонтальным пазом с задней стороны. Сквозь пазы в блоках продевают стальные стержни, объединяющие блоки в единую конструкцию без применения раствора.

Анализ экономичности разных конструктивных решений для конкретных условий строительства в штате Джорджия (США) показал, что стоимость 1 м 2 стенки сборной конструкции составляет 330-440 долларов, а монолитной конструкции - 660-770 долларов. При этом подпорные стенки высотой до 2 м экономически выгодно сооружать гравитационными из монолитного железобетона, высотой 2-5,2 м - контрфорсными из монолитного железобетона, а высотой свыше 5,2 м - с анкерным креплением или сборными железобетонными.

В Румынии в целях экономии общеизвестное решение подпорной стенки из камня или монолитного бетона изменено - надфундаментную часть устраивают из типовых железобетонных элементов, так называемых бездонных ящиков. Размеры ящиков следующие: длина 1,50 м, ширина переменная 1-3 м (шаг 0,5 м), высота - 0,50 м, толщина - 0,20 м. Ящики можно заполнять местными связными грунтами или тощим бетоном.

Тонкоэлементные подпорные стенки подразделяются на уголковые (или иначе - консольные) и контрфорсные. Прочность и устойчивость подпорных стенок этого типа обеспечивается в основном массой грунта, находящегося над фундаментной плитой, и лишь в небольшой степени собственной массой такой стенки.

Тонкие подпорные стенки

Устойчивость тонких подпорных стенок обеспечивается защемлением их нижней части в грунте основания и анкеровкой их верхней части (шпунтовые стенки).

Для сооружения подпорных стенок используют железобетон, бетон, бутобетон, рваный камень на цементном растворе.

Из железобетона, как правило, устраивают подпорные стенки уголкового типа. Ряжевые подпорные стенки и другие конструкции стенок чаще всего также возводят из сборного железобетона.

Для строительства подпорных стенок на автомагистрали А71 (Франция) использовали элементы Loffel, изготовленные из сжатого бетона (см. рис. 3). Округлая форма элементов дает возможность выполнять из них кривые поверхности различных конфигураций. Благодаря небольшой массе (50 кг) и относительно небольшим геометрическим размерам, такие элементы могут быть установлены вручную, что обеспечивает высокую скорость производства строительных работ. Высота подпорных стенок из элементов Loffel не должна превышать 6 м. При строительстве более высоких подпорных стенок грунт насыпи необходимо укреплять геотекстильными материалами.

Применение технологии "армированного грунта"

В местах со сложным рельефом местности определенные преимущества дают удерживающие конструкции из армированного грунта, то есть послойно уплотненного грунта, армированного металлическими, железобетонными или геотекстильными материалами. Армированный грунт применяется в основном в конструкциях подпорных стенок для укрепления откосов насыпей железных и автомобильных дорог, автомагистралей и скоростных дорог, в устоях мостов, фундаментах различных сооружений.

В настоящее время в 37 странах мирах построено свыше 5000 подпорных сооружений из армированного грунта общей площадью наружной поверхности свыше 2,5 млн м 2.

Самым высоким в мире сооружением из армированного грунта является подпорная стенка в Пакистане, достигающая высоты 40 м. Она возведена итальянской фирмой из стальных облицовочных и армирующих элементов, доставленных из Франции.

В США, Франции, Испании, Австралии из армированного грунта сооружают устои мостов. В таких условиях концы пролетного строения опираются на плиту, которая лежит на армогрунте. В случае осадки грунтов основания подходная насыпь и устои работают как единое целое и оседают в одинаковой степени, благодаря чему улучшаются условия сопряжения насыпи с искусственным сооружением.

По данным Федерального управления автомобильных дорог США, применение армированных грунтовых конструкций при строительстве автомобильных дорог экономически оправдано в тех случаях, когда высота подпорных сооружений превышает 3 м. Стоимость сооружения 1 м 2 подпорной стенки из армогрунта примерно в три раза дешевле стоимости 1 м 2 подпорной стенки из железобетона.

Армированные насыпные конструкции являются достаточно эластичными и выдерживают значительные абсолютные и относительные деформации. Это позволяет возводить их на просадочных грунтах и основаниях и на грунтах со слабой несущей способностью без вредных последствий, в то время как железобетонные подпорные сооружения требуют при подобных условиях глубокой закладки фундамента, преимущественно со сваями.

Особенно эффективно (с точки зрения сокращения объема земляных работ) применение армогрунтовых конструкций при сооружении насыпей на косогорах, где они, выполняя функции подпорных стенок, позволяют сократить до минимума длину низового откоса.

Технологию "армированного грунта" применяют для укрепления слабых грунтов при строительстве подпорных стенок, устоев мостов, насыпей автомобильных дорог и автомагистралей, дамб, плотин. По данной технологии предусматриваются попеременная укладка арматуры и грунта и возведение внешней стенки. В качестве арматуры во Франции используют оцинкованную сталь в форме полос или решетки. В настоящее время в качестве арматуры используют ребристые полосы (раньше применяли гладкие полосы). Это привело к увеличению в два раза коэффициента трения между грунтом и арматурой, а также позволило уменьшить толщину полос. По краям арматуры нарезали отверстия, при помощи которых она крепилась к внешней стенке.

В качестве материала для арматуры могут быть также использованы алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь.

Внешнюю стенку строили из листов оцинкованной стали, видимая сторона которых имели полуэллиптическое сечение. Такая внешняя стенка выдерживает вертикальные нагрузки, ее используют при строительстве на труднодоступных участках (при легкости конструкции).

В настоящее время фирмы Европы возводят внешние стенки из бетонных блоков (см. рис. 4), которые более экономичны, чем стенки из металлических листов.

Конструкции подпорных сооружений из грунта, армированного геотекстилем

В ряде стран в последние годы ведутся исследования и осуществляется строительство подпорных стенок из грунта, армированного геотекстилем (тканым и нетканым синтетическим материалом, стеклопластиком). В качестве армирующих прослоек используются геотекстильные материалы, обладающие малым относительным удлинением.

В конструкции армогрунтовой стенки в Швеции в качестве армирующих прослоек применен полиэстер, а в торцовых частях использованы сборные бетонные элементы уголкового профиля, к которым прикреплены геотекстильные полотнища.

В ФРГ разработана конструкция подпорной стенки из грунта, армированного геотекстильным материалом, одновременно образующим облицовку. Особенностью этой конструкции является наличие в ней стабилизаторов из стальных скоб, установленных в облицовке с определенным шагом по горизонтали и фиксирующих форму облицовки. Стабилизаторы обеспечивают жесткость и устойчивость всей подпорной оценки. Их устанавливают один над другим и скрепляют между собой болтами.

Во Франции на участке дороги Руан-Кайеш применена армогрунтовая конструкция с использованием геотекстиля для обеспечения быстрого восстановления оползневого участка. Она имеет обоймы из тканого полиэтиленового полотна, заполненные песчаным грунтом. Обоймы создают своеобразную облицовывающую стенку. Их укладывают на полотна из такого же геотекстиля, которые служат армирующими элементами и объединяются с ними. Наружные части обойм обмазаны битумом. Стоимость такой примерно в 3 раза меньше стоимости обычной армогрунтовой конструкции и в 2 раза меньше стоимости ряжевой железобетонной подпорной стенки.

Австрийская фирма "Chemie Linz AG" разработала метод расчета и возведения подпорных сооружений из грунта, армированного геотекстилем типа Polyfelt TS, - из полимерных волокон на основе полипропилена. Среди таких сооружений наибольшее распространение получили подпорные стенки откосов насыпей железных дорог и автомагистралей. Подпорные стенки из армированного грунта, проектируемые этой фирмой, выполняют вертикальными или с небольшим наклоном.

Для каждого конкретного случая, имея исходные данные по составу и углу внутреннего трения насыпного грунта, размерам подпорной стенки и нагрузки, а также в зависимости от марки геотекстиля Polyfelt TS рассчитывают длину армирующих элементов и шаг их укладки по высоте сооружения.

Фирмой выпущен справочник-руководство по расчету сооружений из армированного грунта с применением геотекстиля Geotextil Handbuch Polyfelt TS - Bemessung Und Praxis.

Для проверки достоверности существующих методов расчета сооружений из армированного грунта проведены испытания натурных фрагментов подпорных стенок, армированных полотнами геотекстиля Polyfelt TS. Испытания показали, что действительная разрушающая нагрузка для таких сооружений намного превышает расчетную. Это объясняется тем, что геотекстиль обладает высокой прочностью на растяжение и в сооружении следует за деформациями грунта, создавая пространственное напряженное состояние и повышая общую устойчивость сооружения.

В Австрии имеется опыт использования геотекстиля Polyfelt TS в грунтовых подпорных сооружениях. Например, железнодорожная трасса, проходящая по пересеченной местности вблизи г. Штейр, укреплена подпорными стенками из армированного грунта.

Технология возведения подпорной стенки, разработанная австрийскими исследователями, представлена на рис. 5. Наружная облицовка и армирование стенки выполнены из полотнищ материала Polyfelt TS.

Для возведения очередного слоя стенки устанавливали опалубку из стальных уголковых элементов и деревянных стоек высотой, превышающей толщину слоя грунта. Шаг элементов опалубки составляет 1,5 м. После установки опалубки поверх нее и нижнего уплотненного слоя грунта укладывали полотнища геотекстиля длиной, определенной расчетом (см. рис. 5б). Свободный наружный край геотекстиля перебрасывали поверх опалубки наружу. Затем укладывали слой насыпного грунта примерно на 1,2 м по ширине стенки и тщательно утрамбовывали его, после чего отворачивали свободный край геотекстиля и укладывали поверх утрамбованного грунта (см. рис. 5 в, г). После этого подсыпали и уплотняли остальную часть слоя грунта. Укладку очередного слоя производили с уклоном 2% по ширине сооружения для обеспечения его устойчивости. Затем опалубку снимали и переносили на верх уложенного слоя. Основное назначение опалубки состоит в обеспечении при трамбовании плотного заполнения углов наружной облицовки грунтом.

В связи с необходимостью защиты геотекстильной наружной облицовки на основе полипропилена от действия ультрафиолетовых лучей, на нее наносят слой торкретбетона, битумное покрытие, облицовывают древесиной или засыпают грунтом с наружным озеленением.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР