Выбор типа фундамента, конструкций опор и пролетных строений

Если в верхних слоях грунтовой толщи залегают слабые или сильносжимаемые грунты, то возникает потребность передачи нагрузки от сооружения более прочным грунтам, залегающим иногда на значительной глубине от поверхности. В таких случаях сооружают свайные фундаменты. Глубина погружения свай практически не ограничена. Известны примеры сооружения свайных фундаментов с длиной свай 80 м и более.

В зависимости от положения подошвы ростверка относительно поверхности грунта различают свайные фундаменты с высоким ростверком, когда их подошва приподнята над поверхностью грунта, и фундаменты с низким ростверком, подошва которых заглублена в грунт.

Фундаменты мостов с высоким ростверком применяют при большой глубине воды в водоеме. Для увеличения поперечной жесткости таких фундаментов сваи в них устраивают наклонными. Только на вертикальных сваях фундаменты с высоким ростверком используют при небольших горизонтальных нагрузках или при большом поперечном сечении свай.

На суходолах свайные фундаменты мостов обычно проектируют с низким ростверком. В руслах рек их применяют при ожидаемых тяжелых ледоходах, карчеходах или интенсивном переносе руслом реки песчано-гравийного материала, вызывающих быстрое истирание свай. Иногда, для защиты свай от истирания в фундаментах с высоким ростверком, по периметру плиты устраивают железобетонные фартуки.

Сваи в фундаментах с низким ростверком работают в более благоприятных условиях, поскольку горизонтальные нагрузки воспринимаются здесь не только грунтом, окружающим сваи, но и за счет отпора грунта в пределах плиты ростверка. Потребную поперечную жесткость таких фундаментов обычно удается обеспечить постановкой только вертикальных свай. Однако при больших горизонтальных нагрузках, например, на мостовые устои или опоры арочных мостов, возникает потребность в постановке наклонных свай и в фундаментах с низким ростверком.

В мостостроении широко применяют типовые призматические железобетонные сваи квадратного сечения 35´35 с обычной или предварительно напряженной арматурой. Реже используются сваи сечением 40´40 см.

Мостовые сваи бывают нетрещиностойкие (с допустимым раскрытием трещин не более 0,2 мм), которые изготавливают из обычного железобетона с невысоким процентом армирования из условия прочности их при изгибе от собственного веса во время монтажа. Длина таких свай от 4 до 12 м. Предназначены они для фундаментов с низким ростверком с небольшими горизонтальными нагрузками.

Трещиностойкие мостовые сваи (с допустимым раскрытием трещин не более 0,1 мм) из обычного железобетона класса от В25 до В35 имеют более высокий процент армирования и длину от 9 до 18 м. При этом для более крупных свай применяют более высокий класс бетона и более высокий процент армирования.

Типовые предварительно напряженные сваи сплошного квадратного сечения для фундаментов транспортных сооружений имеют длину от 9 до 20 м. Изготавливают их из бетона класса В35 и армируют либо стержневой арматурой периодического профиля либо высокопрочной проволокой периодического профиля. Для высоких ростверков фундаментов мостов используют предварительно напряженные сваи со стержневой арматурой.

Основным недостатком сплошных забивных свай является их большая масса, что затрудняет их транспортировку и требует использования тяжелого кранового и сваебойного оборудования. В меньшей степени эти недостатки присущи полым сваям, которые чаще всего делают цилиндрической формы.

Полые железобетонные сваи кольцевого сечения собирают из отдельных секций с наружным диаметром 0,6; 1,2; 1,6; 3,0 м, длиной от 4 до 12 м при диаметре от 0,6 до 1,6 м и длиной 6 м при диаметре 3,0 м. Толщина стенок оболочек при диаметре 0,6 м составляет 8 – 10 см, а при диаметре 1,2 – 3,0 м — 12 см.

Сваи из оболочек малого диаметра можно смонтировать на полную длину до их погружения. При большом диаметре секции оболочек наращивают по мере их погружения, благодаря чему общая длина свай может достигать 50 м и более. После погружения в грунт полости оболочек заполняют бетоном (иногда армированным), песком или оставляют полыми.

Буровые сваи изготавливают в пробуренных скважинах. Для бурения скважин используют различные буровые станки. Для предохранения стенок скважин от обрушения их крепят либо обсадными трубами, погружаемыми одновременно в процессе бурения, либо глинистым раствором, заливаемым в скважину, который давлением от своего веса в процессе бурения глинизирует стенки скважины и удерживает их от обрушения. Бурение скважин и уширений под глинистым раствором, как показывает опыт, возможно как в глинистых, так и в песчаных грунтах. Под защитой обсадных труб производят бурение скважин в глинистых грунтах текучей консистенции, при большой глубине воды или при наличии значительных гравийно-галечниковых прослоек и карстовых пустот, а также при ведении работ вблизи существующих сооружений. Инвентарные трубы либо извлекают в процессе бетонирования буровых свай, либо оставляют в скважине, включая в конструкцию сваи.

В прочных маловлажных глинистых грунтах стенки буровых скважин и их уширений можно не крепить.

В настоящее время в отечественном мостостроении применяют буровые установки СО-1200, БМС-1,7А, БМУ-1,2, использующие инвентарные обсадные трубы и обеспечивающие бурение вертикальных и наклонных (с наклоном до Ð5:1) скважин при устройстве буронабивных свай диаметром от 1,0 до 1,7 м с уширением внизу до 3,5 м и длиной от 20 до 40 м.

Из зарубежной буровой техники в отечественном мостостроении применяются универсальные буровые агрегаты французской фирмы “Беното”, японской фирмы “Като” и немецкой «Бауэр». Эти агрегаты позволяют совмещать бурение скважины и выемку из нее грунта с одновременным креплением ее стенок обсадными трубами и последующим их извлечением, вести работы практически в любых грунтах и изготавливать как вертикальные, так и наклонные (с наклоном до Ð4:1) буронабивные сваи диаметром до 1,7 м, в том числе с уширением до 3,5 м, длиной до 50 м.

Для увеличения несущей способности полых забивных свай и буровых свай-столбов устраивают уширение их нижнего конца камуфлетированием с помощью заряда взрывчатого вещества. После погружения в грунт железобетонной или стальной оболочки с закрытым или открытым (с выемкой грунта) нижним концом у нижнего конца оболочки помещают заряд с электродетонатором, соединенным проводами с подрывной машинкой на поверхности. Полость оболочки заполняют на некоторую высоту литым бетоном и подрывают заряд. Нижний конец оболочки силой взрыва разрушается, а грунт в этом месте уплотняется с образованием близкой к шарообразной полости (камуфлета), которая заполняется литым бетоном из полости оболочки. Затем оболочку заполняют бетонной смесью на полную высоту.

Опоры мостов подразделяют на промежуточные и концевые (устои). Кроме восприятия нагрузок с пролётных строений, устои испытывают давление грунта насыпи от собственного веса и от действия нагрузок, расположенных на насыпи. Они являются элементом сопряжения моста с насыпью. Поэтому их конструкция существенно отличается от конструкции промежуточных опор. Детально вопросы проектирования опор мостов рассмотрены в учебном пособии /6/.

Конструкция тела промежуточной опоры с учетом современных требо­ваний должна быть максимально сборной. С целью экономии кладки часть тела опор, находящаяся выше уровня высокой воды и уровня высокого ледохода, может быть принята облегченной конструкции из железобетона (из коробчатых пустотелых блоков, в виде стоек из труб, перекрытых ригелем, и т. п.). В пределах переменного уровня воды (с некоторым запасом) тело опоры должно иметь обтекаемую форму в плане. Очертание фундамента в плане желательно принимать также обтекаемой формы, чтобы уменьшить завихрения и скорости протекания воды у опор, вызыва­ющие значительный размыв.

Опоры мостов рекомендуется принимать сборно-монолитной конструк­ции, имеющей лучшие показатели по трудоемкости возведения по сравне­нию с монолитными.

При выборе конструкций тела опор следует принимать во внимание показатели по расходу материалов, трудоемкости возведения, стоимости работ.

Значительное уменьшение объема кладки опор достигается в конструк­ции сборных опор из центрифугированных труб /6, рис.1.13/ или безростверковых опор /7, рис.16.15/, которые по сравнению с массивными имеют значительно лучшие показатели по расходу материалов, трудоемкости и стоимости. К тому же они обладают хорошими архитектурными показателями. К недостаткам таких опор следует отнести потребность в мощных механизмах для опускания оболочек, повышенную точность погружения, а также необходимость защиты от воздействия льда. Не рекомендуется применять такие опоры при сильном и среднем ледоходе. Значительную экономию в объеме кладки имеют предварительно напря­женные опоры /7, рис. 16.4/. Предварительное напряжение может быть осуществлено с помощью высокопрочной арматуры или армоэлементов (предварительно напряженных брусков). Такие опоры целесообразно применять в виадуках.

Устои предназначены для сопряжения моста с подходной насыпью и опирания на них пролётного строения.

Сопряжение моста с насыпями подходов осуществляется в пределах их концевых участков - конусов, внутри которых располагаются устои. Главное требование к этому сопряжению - обеспечение плавного въезда на мост, т. е. плавного изменения жёсткости основания железнодорожного пути или дорожного покрытия (в случае автодорожного моста). Это обеспечивается, прежде всего, особой конструкцией устоя (так называемый «мягкий въезд»), а также укладкой за устоем (в случае автодорожных мостов) под дорожным покрытием специальных переходных плит.

Различают два типа устоев: обсыпные и необсыпные. Обсыпной устой почти полностью скрыт в конусе. В необсыпных - конус насыпи не выходит за переднюю грань и фундамент устоя.

При небольшой высоте насыпи (обычно до 6…8 м) устои железнодорожных мостов делают массивными необсыпными /6, рис.1.16, а / или с обратными стенками /6, рис.1.16, б /. Устои таврового поперечного сечения могут быть применены при высоте насыпи до 12 м /6, рис.1.16, в/. Устои этих типов применяют для опирания на них пролётных строений практически любой длины. Высокими экономическими показателями обладают устои на оболочках козлового типа и др. /6, рис.1.8 /.

Большое влияние на размер верхней части устоя, его обратных крыльев оказывает строительная высота пролетного строения, опирающегося на береговую опору. При большой высоте насыпи целесообразно применять так называемый раздельный устой,в котором у подошвы конуса насыпи ставится дополнительная промежуточная опора. Пролет между этой опорой и собственно устоем перекрывается небольшим железо­бетонным (редко металлическим) пролетным строением.

В курсовом проекте рекомендуется рассматривать в основном балочные или неразрезные пролетные строения. Консольные пролетные строения, имеющие ряд недостатков, для железнодорожных мостов применять не рекомендуется. При особых условиях, благоприятных для применения распорных систем, можно рассматривать арочные пролетные строения.

В вариантах моста для перекрытия судоходных пролетов применяют типовые пролетные строения с минимально возможным расчетным проле­том, обеспечивающим размещение подмостового габарита. В Приложении Г, таблица Г.1, таблица Г.2 приведены основные данные о типовых сквозных пролетных строениях с ездой понизу. При этом желательно выбирать пролетные строения с наименьшей массой и строительной высотой в пролете.

Совмещать в одном судоходном пролете какого-либо варианта два подмостовых габарита и перекрывать их: одним пролетным строением нецелесообразно, так как это приводит к большому расходу металла и увеличению стоимости моста.

Для перекрытия несудоходных пролетов применяются разрезные про­летные строения со сплошными главными балками с ездой поверху. В Приложении Г, таблица Г.3 приведены данные о таких пролетных строениях с расчетными пролетами 18,2...33,6 м. Разработаны конструкции сталежелезобетонных пролетных строений с коробчатым сечением, образованным верхней железобетонной плитой, самими балками и нижним сплошным горизонтальным металличес­ким листом. Данные о таких пролетных строениях пролетами 18,2 …45,0 м также приведены в Приложении Г, таблица Г. 4.

Если судоходные пролеты имеют небольшие размеры, а подходные насыпи — небольшую длину, то целесообразно рассмотреть вариант, в котором все пролеты перекрываются пролетными строениями со сплошны­ми главными балками с ездой поверху. При этом высота и объем подходных насыпей увеличиваются, но зато размеры всех опор поперек оси моста будут наименьшими, пролетные строения будут однотипными, улучшится внешний вид моста.

Если отметка подошвы рельса на мосту задана из условия трассирования железнодорожной линии и высота моста позволяет применить пролетные строения с ездой поверху для перекрытия судоходных пролетов, то следует рассмотреть решение с такими пролетными строениями. При этом следует изучить вопрос о целесообразности применения пролетных строений, как со сплошными главными балками, так и со сквозными фермами. Основные характеристики сквозных пролетных строений с ездой поверху приведены в Приложении Г, таблица Г.5.

Отдельные задания могут быть выданы на проектирование путепровода или виадука под железную дорогу.

При разработке вариантов путепровода следует руководствоваться в основном теми же указаниями, что и при проектировании мостов через реки. Однако длина путепровода, величины его пролетов выбираются с учетом всех требований по обеспечению габарита приближения строений пересе­каемой дороги или другого препятствия. При этом предпочтение отдается схемам путепроводов, обеспечивающим хороший обзор для водителей транспорта нижней дороги. В одном из вариантов целесообразно проверить уменьшение стоимости насыпей подходов за счет снижения строительной высоты путепровода (с использованием пролетных строений с ездой понизу). Данные о таких пролетных строениях приведены в Приложении Г, таблица Г.6, таблица Г.7.

При проектировании виадуков через глубокие овраги и суходолы особое внимание следует уделять выбору типа высоких промежуточных опор, технологии их возведения, уменьшению числа опор в наиболее глубоком (по профилю поверхности оврага, ущелья) месте, а также архитектурному достоинству сооружения. В большей степени виадуки можно считать индивидуальными сооружениями, и при их проектировании необходимо использовать ряд дополнительных литературных и нормативных источни­ков и проектных аналогов.