Ступенчатое подпорно-защитное сооружение

 

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано при возведении ступенчатых подпорных стенок, защищающих откосы сооружений и берега водоемов и водотоков от разрушения их водой и льдом. Ступенчатое подпорно-защитное сооружение включает подпорные стенки, выполненные по длине из состыкованных между собой элементов уголкового профиля и расположенные ярусами на насыпном грунте с образованием ступенчатой лицевой поверхности сооружения, взаимодействующего с водой водоема или водотока. Новым является то, что между подпорными стенками двух смежных ярусов горизонтальная грань ступени образована насыпным грунтом, на котором поперек ступени размещены дополнительные элементы, каждый из которых одним концом пристыкован к верхней части подпорной стенки нижнего яруса, а другим - к нижней части подпорной стенки верхнего яруса. Лицевая грань ступени отклонена от вертикали в сторону насыпного грунта на угол α, величина которого удовлетворяет соотношению tgα>μ, где μ - коэффициент трения между лицевой гранью ступени и льдом водоема или водотока. Технический результат заключается в одновременном вовлечении в работу элементов всех ступеней сооружения при воздействии ледовой нагрузки на одну из них и в уменьшении нагрузок на элементы сооружения как от льда, так и от насыпного грунта. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано при возведении ступенчатых подпорных стенок, защищающих откосы сооружений и берега водоемов и водотоков от разрушения их водою и льдом.

Известно ступенчатое подпорное сооружение, включающее подпорные стенки, выполненные из сборных преднапряженных железобетонных элементов и расположенные ярусами с образованием между ними горизонтальной грани ступени насыпным грунтом [1]. Такое сооружение имеет ограниченную область использования из-за того, что оно не приспособлено к восприятию высоких ледовых нагрузок со стороны водоема или водотока, это объясняется тем, что каждая ступень сооружения, имея невысокую несущую способность, работает практически независимо от смежных с ней ступеней.

Известна ступенчатая облицовка откоса бетонными блоками, имеющими каждый форму прямоугольного параллелепипида с выступом на его нижней грани, обеспечивающем зацепление блока за верх нижележащего блока [2]. Такая ступенчатая облицовка матералоемка, имеет малое сцепление с грунтом откола, а при воздействии на ступень облицовки ледовой нагрузки в работу включаются только вышележащие ступени.

Известна ступенчатая облицовка откоса бетонными блоками, имеющими каждый форму прямоугольного параллелепипеда с выступами на его нижней грани, выполненными в виде свай, имеющих форму трехгранных пирамид и обеспечивающих блоку сцепление с грунтом откоса и зацепление за нижележащие блоки [3]. Такая ступенчатая облицовка откоса материалоемка и сложна в изготовлении, а при воздействии на ступень облицовки ледовой нагрузки в работу включаются также только вышележащие ступени.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ступенчатое подпорнозащитное сооружение, включающее подпорные стенки, выполненные по длине из состыкованных между собою элементов уголкового профиля и расположенные ярусами на насыпном грунте с образованием ступенчатой лицевой поверхности сооружения, взаимодействующего с водой водоема или водотока. Каждый элемент уголкового профиля имеет вертикальную полку, образующей лицевую грань ступени и горизонтальную полку, образующей одной своей частью анкер, а другой - горизонтальную грань ступени [4]. Недостаток этого ступенчатого подпорнозащитного сооружения заключается в следующем: - не обеспечивается устойчивость сооружения в случае узкой горизонтальной грани ступени и большой расход материала на изготовление элементов уголкового профиля при одновременном увеличении габаритов и веса каждого из них в случае широкой горизонтальной грани ступени, когда ширина горизонтальной полки этого элемента в два и более раза превышает высоту его вертикальной полки; - недостаточная надежность сооружения и большой расход материалов на ее создание из-за высоких нагрузок, действующих на вертикальную полку элемента уголкового профиля, а именно: ледовых - с одной стороны и от насыпного грунта - с другой стороны.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности подпорнозащитного сооружения и экономия средств на его создание, технический же результат от использования изобретения заключается в одновременном вовлечении в работу элементов всех ступеней сооружения при воздействии ледовой нагрузки на одну из них и в уменьшении нагрузок на элементы сооружения как от льда, так и от насыпного грунта.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в ступенчатом подпорнозащитном сооружении, включающем подпорные стенки, выполненные по длине из состыкованных между собой элементов уголкового профиля и расположенные ярусами на насыпном грунте с образованием ступенчатой лицевой поверхности сооружения, взаимодействующего с водой водоема или водотока, согласно изобретению между подпорными стенками двух смежных ярусов горизонтальная грань ступени образована насыпным грунтом, на котором поперек ступени размещены дополнительные элементы, каждый из которых одним концом пристыкован к верхней части подпорной стенки нижнего яруса, а другой - к нижней части подпорной стенки верхнего яруса. Одновременно с этим лицевая грань ступени отклонена от вертикали в сторону грунтовой засыпки на угол α, величина которого удовлетворяет соотношению tgα>μ, где μ - коэффициент трения между лицевой гранью ступени и льдом водоема или водотока, плоскость стыка дополнительного элемента с подпорной стенкой отклонена от вертикали на угол β, величина которого удовлетворяет соотношению tg β < f , где f - коэффициент мокрого трения между дополнительным элементом и подпорной стенкой. Дополнительный элемент пристыкован к подпорной стенке с возможностью скольжения по ней в вертикальной плоскости, целесообразно дополнительные элементы выполнить в виде основных и дополнительных брусьев с Т-образными в плане концами, при этом основные брусья следует пристыковать к подпорным стенкам в местах стыкования элементов уголкового профиля, а дополнительные брусья разместить между основными, угол β приравнять к углу α, а каждый конец основного бруса снабдить Т-образным ползуном с размещением его продольной полки между двумя смежными элементами уголкового профиля подпорной стенки.

Сущность технического решения заключается в том, что снабжение ступенчатого подпорнозащитного сооружения по ранее изложенным правилам дополнительными элементами позволило при воздействии на сооружение высоких ледовых нагрузок вовлечь в работу одновременно все ступени сооружения посредством передачи нагрузок дополнительными элементами от одной ступени к другой и без существенных дополнительных затрат и усложнений работ увеличить ширину ступеней, что существенно повысило надежность сооружения за счет повышения устойчивости насыпного грунта при одновременном уменьшении его объема - ступенчатая лицевая поверхность сооружения приближена к естественному очертанию откоса (берега). Одновременно с этим наклон лицевой грани ступени в сторону насыпного грунта под заданным углам в существенной мере уменьшил величину ледовой нагрузки на ступень за счет обеспечения наползания на нее льда и повысил устойчивость насыпного грунта от действия льда за счет изменения направления действия на грунт силы, нормальной к плоскости грани ступени. При отсутствии же ледовой нагрузки этот наклон грани ступени уменьшает активное давление насыпного грунта на подпорную стенку этой ступени, ограничение величины наклона лицевой грани ступени обобщенным условием μ<tgα<f (обобщение пунктов формулы 1, 2 и 5) предотвращает скольжение торца дополнительного элемента по грани подпорной стенки при передаче им сжимающего усилия от одной стенки к другой и позволяет просто и надежно пристыковать в наиболее ответственных местах дополнительные элементы к подпорной стенке посредством T-образных ползунов.

На фиг.1 изображено подпорнозащитное сооружение, план; на фиг. 2 - разрез А-A на фиг.1; на фиг.3 - элемент уголкового профиля, вид в аксонометрии; на фиг. 4 - дополнительный элемент в виде основного бруса, вид в аксонометрии; на фиг.5 - разрез A-А на фиг.1 в варианте выполнения элемента уголкового профиля составным.

Предлагаемое сооружение выполнено из поярусно размещенных подпорных стенок 1, насыпного грунта 2, заполняющего полость между подпорными стенками 1 и защищаемым от размыва берегом 3 и дополнительных элементов 4. Каждая подпорная стенка 1 вышележащего яруса относительно подпорной стенки 1 нижележащего яруса в плане смещена в сторону берега 3 с образованием ступени 5, горизонтальная грань 6 которой образована насыпным грунтом 2, а ее лицевая грань 7 - подпорной стенкой 1. Такие ступени 5 образуют ступенчатую лицевую поверхность подпорнозащитного сооружения, взаимодействующего с водой и льдом 8 водоема или водотока 9.

Каждая подпорная стенка 1 по длине выполнена из состыкованных между собой бетонных элементов уголкового профиля 10, каждый из которых состоит из лицевой полки 11, образующей лицевую грань 7 ступени 5, и горизонтальной полки 12, образующей ее анкер, лицевая грань 7 ступени 5 отклонена от вертикали в сторону насыпного грунта 2 (берега 3) на угол α, величина которого удовлетворяет соотношению tgα>μ, где μ - коэффициент трения между лицевой гранью ступени и льдом водоема или водотока. Дополнительные элементы 4 размещены на насыпном грунте 2 (частично или полностью в него утоплены) в плоскости горизонтальной грани 6 ступени 5 и поперек ее, при этом каждый из них одним концом пристыкован к верхней части подпорной стенки 1 нижележащего яруса, а другим - к нижней части подпорной стенки 1 вышележащего яруса.

Дополнительные элементы 4 выполнены в виде основных 13 и дополнительных 14 бетонных брусьев с Т-образными в плане концами 15, при этом основные брусья 13 пристыкованы к подпорной стенке 1 в местах стыкования элементов уголкового профиля 10, а дополнительные брусья 14 размещены между ними, концы 15 брусьев 13 и 14 пристыкованы к соответствующим подпорным стенкам 1 так, что каждая плоскость их стыка 16 отклонена от вертикали на угол β, величина которого удовлетворяет соотношению tg β < f , где f - коэффициент мокрого трения между брусьями 13 и 14 и подпорной стенкой 1. При этом каждый конец 15 основного бруса 13 снабжен металлическим Т-образным ползуном 17 (фиг.4), продольная полка 18 которого размещена в зазоре 19 между двумя смежными элементами уголкового профиля 10, а длина l_э лицевой полки 11 элемента 10 превышает длину l₀ его горизонтальной полки 12. Последнее обеспечивает образование у лицевой полки 11 двух консолей 20, торцы которых в стенке 1 пристыкованы с образованием зазора 19. Все это позволяет приравнять угол β к углу α и обеспечить при осадке насыпного грунта 2 в бытовых условиях возможность скольжения брусьев 13 и 14 по подпорным стенкам 1 в вертикальной плоскости на ограниченную величину.

От размыва пляжная зона 21 берега 3 защищена каменной наброской 22, а выше максимального уровня ледохода (max УЛ) берег 3 защищен бетонными плитами 23. Смежные элементы уголкового профиля 10 состыкованы между собой посредством приваренных стержней, а зазоры 19 между ними со стороны насыпного грунта 2 перекрыты нащельниками (на чертежах не показаны).

Дополнительные брусья 14 передают ледовую нагрузку только на подпорную стенку вышележащего яруса и работают только на сжатие (распорки), основные же брусья 13 - как на стенку вышележащего яруса (сжатие), так и на стенку нижележащего яруса (растяжение), поэтому целесообразно брусья 13 изготовлять из преднапряженного бетона.

Принимая коэффициент трения μ между льдом и сооружением по источнику [5] , а коэффициент мокрого трения бетона по бетону f = 0,7 и с учетом ранее принятого β = α обобщающее условие для угла α отклонения лицевой грани 7 ступени 5, выражаемое в градусах, принимает вид 9 < α < 35.

При значении угла α менее 9 градусов вползание льда на подпорную стенку 1 будет отсутствовать, в результате чего на стенку будет действовать высокая горизонтальная составляющая F_h от ледяного поля (фиг.2), а при отсутствии этого воздействия (бытовые условия) на стенку действует высокое активное давление насыпного грунта при значении α более 35 градусов брусья 13 и 14, передающие давление льда от подпорной стенки одного яруса на подпорную стенку вышерасположенного яруса, будет скользить по последней стенке, в результате чего нарушится их совместная работа, при выполнении же условия 9°<α<35° все подпорнозащитное сооружение работает как единое целое, при этом нагрузки как от льда, так и от насыпного грунта будут невысокие, а при достаточной ширине горизонтальной (анкерной) полки 12 элемента 10 наползший на ступень 5 лед своим весом увеличит устойчивость сооружения против ледового воздействия.

Учет собственного веса льда, препятствующего наползанию льда на стенку, а также конструктивные и технологические условия работ позволяют рекомендовать более узкий диапазон угла α, а именно 20 < α < 30 (в градусах).

Элемент уголкового профиля 10 в поперечном сечении может быть составлен из отдельно изготовленных его полок 11 и 12, соединенных между собой посредством анкерных тяг 24 и паза 25 (фиг.5), что упрощает работы по изготовлению сборных элементов на заводе.

Широкие ступени обеспечивают проезд по ним строительной техники, что упрощает ведение работ при возведении сооружения и при его ремонте.

Использованные источники 1. Патент США 4572711, кл. Е 02 D 29/02, опубл. 1986.

2. Патент Швейцарии 663437, кл. Е 02 D 17/20, опубл. 1987.

3. Патент Российской Федерации 2054081, кл. Е 02 В 3/12, опубл. 1996.

4. Авторское свидетельство СССР 666239, кл. Е 02 В 7/06, опубл. 1979 (прототип).

5. Изменение 2 СНИП 2.06.04-62 "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)". Журнал "БСТ" 10, 1995, с. 20, табл.34.

Формула изобретения

1. Ступенчатое подпорно-защитное сооружение, включающее подпорные стенки, выполненные по длине из состыкованных между собой элементов уголкового профиля и расположенные ярусами на насыпном грунте с образованием ступенчатой лицевой поверхности сооружения, взаимодействующего с водой водоема или водотока, отличающееся тем, что между подпорными стенками двух смежных ярусов горизонтальная грань ступени образована насыпным грунтом, на котором поперек ступени размещены дополнительные элементы, каждый из которых одним концом пристыкован к верхней части подпорной стенки нижнего яруса, а другим - к нижней части подпорной стенки верхнего яруса, при этом лицевая грань ступени отклонена от вертикали в сторону насыпного грунта на угол α, величина которого удовлетворяет соотношению tgα>μ, где μ - коэффициент трения между лицевой гранью ступени и льдом водоема или водотока.

2. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что плоскость стыка дополнительного элемента с подпорной стенкой отклонена от вертикали на угол β, величина которого удовлетворяет соотношению tg β < f, где f - коэффициент мокрого трения между дополнительным элементом и подпорной стенкой.

3. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что дополнительные элементы пристыкованы к подпорным стенкам с возможностью скольжения по ним в вертикальной плоскости.

4. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде основных и дополнительных брусьев с Т-образными в плане концами, при этом основные брусья пристыкованы к подпорным стенкам в местах стыкования элементов уголкового профиля, а дополнительные брусья размещены между основными.

5. Сооружение по п. 2, отличающееся тем, что угол β равен углу α.

6. Сооружение по п. 4, отличающееся тем, что каждый конец основного бруса снабжен Т-образным ползуном, продольная полка которого размещена между двумя смежными элементами уголкового профиля подпорной стенки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5