Настоящая работа посвящена исследованию и выбору наиболее рациональной конфигурации железобетонных подпорных стенок с применением возможностей расчетно-графического комплекса SCAD. Проведён системный анализ влияния вариативности геометрических параметров на ключевые показатели напряженно-деформированного состояния, массу конструкций, величину перемещений, реакции основания и объем необходимого армирования. Полученные данные позволили сформулировать рекомендации по оптимизации конструктивных решений с целью повышения экономической эффективности при сохранении нормативной надежности.
Ключевые слова: подпорная стенка, оптимизация геометрии, SCAD, расчёт НДС, армирование, проектирование, экономическая эффективность.
This study is devoted to the investigation and selection of the most efficient configuration of reinforced concrete cantilever retaining walls using the capabilities of the SCAD structural analysis software. A systematic analysis was conducted to assess the impact of geometric parameter variations on key indicators such as stress-strain state, structural weight, displacement magnitudes, foundation reactions, and the required amount of reinforcement. The obtained results allowed for the development of recommendations for optimizing structural solutions aimed at improving economic efficiency while maintaining regulatory reliability.
Keywords: retaining wall, geometry optimization, SCAD, stress-strain analysis, reinforcement, structural design, economic efficiency.
Введение
В условиях активного развития инфраструктурных объектов, особенно на территориях со сложным рельефом, возрастает потребность в рациональных конструктивных решениях для удержания грунтовых массивов. Подпорные стенки, обладая простотой изготовления и достаточной прочностью, широко применяются в современном строительстве. Вместе с тем их геометрическая оптимизация остаётся актуальной задачей, позволяющей сократить материалоемкость и себестоимость без ущерба для эксплуатационных характеристик.
Классификация подпорных стенок
Одним из способов классификации подпорных стен является разделение их по степени вовлечения грунта в работу. В соответствии с этой классификацией, выделяют следующие типы стен:
— массивные стенки
Выполняются в основном из сравнительно непрочного материала (бут, бутобетон, габионы). В данном случае конструкция не предусматривает использование грунта в целях сохранения устойчивости стенки, грунт играет только негативную роль, оказывая на стенку давление, данный вид стенок изображен на рисунке 1.
Рис. 1. Массивные стенки
— полумассивные подпорные стенки
Полумассивные стенки сохраняют устойчивость не только благодаря весу стенки, но и весу грунта, который лежит на фундаменте. Преимуществом таких стенок является меньшая материалоемкость по сравнению с массивными стенками. Тонкие стенки как правило из сборных элементов в виде пластины или уголка с широкой подошвой, благодаря которой стенка противостоит опрокидыванию из–за включения в работу, расположенного вблизи грунта.
В зависимости от такого используемого конструктивного приема полумассивные подпорные стенки можно разделить на:
- комбинированные;
- тонкоэлементные;
- тонкие.
В качестве исследования выбрана тонкоэлементная подпорная стенка. На рисунке 2 изображен пример тонкоэлементной уголковой подпорной стенки.
Рис. 2. Уголковая подпорная стенка
Методика исследования
Расчётные исследования выполнены с использованием метода конечных элементов в среде SCAD. В качестве базовой (типовой) стенки рассматривается монолитная уголковая подпорная стенка с размерами в плане — 2800 х 3000 мм, с высотой 4000 мм. Эскиз данной стенки изображен на рисунке 3.
Рис. 3. Базовая подпорная стенка
Путём последовательного изменения длины подошвы и конструктивной формы были смоделированы три типа стенок (А, Б, В), каждая представлена четырьмя вариантами исполнения, данные конфигурации изображены на рисунках 4–6.
Рис. 4. Конфигурации подпорных стенок типа А
Рис. 5. Конфигурации подпорных стенок типа Б
Рис. 6. Конфигурации подпорных стенок типа В
Для обеспечения корректности сравнительного анализа все модели рассчитывались при одинаковых условиях работы:
— Имитация основания с использованием упругих характеристик;
— Учет бокового сопротивления грунта посредством элементов конечной жёсткости;
— Идентичная схема приложения внешних нагрузок, включающая давление грунта и собственный вес конструкции.
В качестве критериев оценки эффективности рассматривались:
— Суммарная масса конструкции;
— Горизонтальные и вертикальные перемещения контрольных точек;
— Реакции, воспринимаемые основанием;
— Объём требуемого армирования, выраженный через условные единицы.
Методика определения наиболее эффективной конфигурации:
Для комплексного сопоставления вариантов были введены нормированные коэффициенты эффективности (К1–К5) по каждому из рассматриваемых параметров. За эталон принималось минимальное значение параметра, для остальных конфигураций коэффициент рассчитывался по формуле:
К = 1 − ((Фактическое значение / Минимальное значение) − 1)
Итоговый показатель эффективности (К общ ) определялся как сумма всех частных коэффициентов. Наивысшее значение К общ свидетельствовало о наиболее рациональной конфигурации с точки зрения совокупной технико-экономической оценки.
Результаты исследования
Анализ продемонстрировал, что увеличение размеров подошвы приводит к значительному снижению перемещений и реакций под основанием, однако сопровождается ростом массы и увеличением объёмов армирования.
Максимальную эффективность показала конфигурация стенки типа Б1, обеспечившая минимальные значения горизонтальных перемещений и наилучшие показатели взаимодействия с основанием при приемлемом увеличении массы и рациональном объёме армирования.
Результаты расчетов сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Определение наиболее эффективной конфигурации подпорной стенки
|
Масса (т) |
К1 |
Перемещения Х (мм) |
К2 |
Перемещения Z (мм) |
К3 |
Реакция Rz (т/м2) |
К4 |
Усл.ед.арм. |
К5 |
Кобщ |
|
|
Подпорная стенка А4 |
14.62 |
1 |
26.66 |
-0.18 |
8.2 |
0.794 |
4.19 |
0.796 |
20.02 |
0.572 |
2.98 |
|
Подпорная стенка А3 |
15.75 |
0.923 |
24.57 |
-0.01 |
7.92 |
0.835 |
4.05 |
0.836 |
21.32 |
0.479 |
3.06 |
|
Подпорная стенка А2 |
16.88 |
0.845 |
23.15 |
0.104 |
7.73 |
0.863 |
3.95 |
0.865 |
22.73 |
0.379 |
3.06 |
|
Подпорная стенка А1 |
18 |
0.769 |
22.16 |
0.185 |
7.58 |
0.885 |
3.88 |
0.885 |
24.22 |
0.272 |
3.00 |
|
Подпорная стенка Б4 |
17.77 |
0.785 |
19.51 |
0.402 |
7.95 |
0.831 |
4.07 |
0.83 |
17.25 |
0.77 |
3.62 |
|
Подпорная стенка Б3 |
19.65 |
0.656 |
16.38 |
0.658 |
7.52 |
0.894 |
3.85 |
0.894 |
14.67 |
0.954 |
4.06 |
|
Подпорная стенка Б2 |
21.53 |
0.527 |
14.04 |
0.85 |
7.14 |
0.95 |
3.65 |
0.951 |
14.02 |
1 |
4.28 |
|
Подпорная стенка Б1 |
23.4 |
0.399 |
12.21 |
1 |
6.8 |
1 |
3.48 |
1 |
14.91 |
0.937 |
4.34 |
|
Подпорная стенка В4 |
16.43 |
0.876 |
25.18 |
-0.06 |
8.5 |
0.75 |
4.35 |
0.75 |
21.89 |
0.439 |
2.75 |
|
Подпорная стенка В3 |
17.55 |
0.8 |
22.97 |
0.119 |
8.13 |
0.804 |
4.16 |
0.805 |
22.5 |
0.395 |
2.92 |
|
Подпорная стенка В2 |
18.68 |
0.722 |
21.48 |
0.241 |
7.86 |
0.844 |
4.02 |
0.845 |
23.96 |
0.291 |
2.94 |
|
Подпорная стенка В1 |
19.8 |
0.646 |
20.45 |
0.325 |
7.66 |
0.874 |
3.92 |
0.874 |
25.57 |
0.176 |
2.89 |
Выводы:
- Проведённое исследование подтвердило высокую значимость геометрической оптимизации подпорных стенок уголкового типа для достижения экономии материалов при сохранении требуемых эксплуатационных свойств.
- Конфигурация типа Б1 признана наиболее эффективной по совокупности критериев, обеспечивая снижение горизонтальных перемещений до 38 % при увеличении массы на 25 %.
- Разработанная методика комплексной оценки может быть использована как инструмент проектных решений при разработке аналогичных конструкций.
Литература:
- «СП 381.1325800.2018. Свод правил. Сооружения подпорные. Правила проектирования» (утв. и введен в действие Приказом Минстроя России от 23.07.2018 N 444/пр)
- Серия 3.002.1–2 «Подпорные стенки из монолитного железобетона»
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
- СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»
