Full Text

В наши дни большое количество мостов и путепроводов нуждается в реконструкции по целому ряду причин, приведенному, в частности, в работе А.Д. Соколова [1]. Большая часть мостов находится в изношенном состоянии, требуется их ремонт и реконструкция ввиду различных видов повреждений. К ним относятся: - заклинка пролетного строения; - смещение и наклон устоев; - излом шкафных стенок; - повреждения и нарушение работы опорных частей; - излом свай и стоек устоя; - потеря устойчивости формы пролетного строения; - коррозия арматуры; - потеря несущей способности. Чаще всего наиболее уязвимой частью конструкции оказываются концевые опоры мостов, называемые устоями. Причем это может быть характерно сразу для нескольких конструктивно-технологических решений устоев мостов. Они одновременно воспринимают нагрузки от различных воздействий, которые отличны друг от друга по своей природе и силе. Совершенствование конструктивно-технологических решений устоев мостов является актуальной проблемой современного строительства ввиду их малоизученности, небогатого списка инновационных конструкций, а также новых методов расчета, которые бы удовлетворяли требованиям надежности и безопасности, предъявляемым к мостам и путепроводам. Целью данной работы является обзор существующих конструкций концевых опор мостовых сооружений и предложение новой конструктивной схемы обсыпных устоев, которая позволяет снизить боковое давление грунта на концевые опоры и может применяться как при реконструкции мостов, так и при новом строительстве. Проследив эволюцию сопряжения мостов с подходными насыпями, можно выделить несколько типов непосредственно устоев мостов по их конструкции: массивные (гравитационные), обсыпные (с конусами) и с вертикальными стенками [2]. Массивные устои (рис. 1) выполняются в виде подпорных стенок из камня, бутовой кладки, бетона и железобетона. Такие устои воспринимают нагрузки от пролетного строения, переходной плиты и давления грунта подходной насыпи (или берегового склона). В данном случае грунт насыпи играет только негативную роль, заставляя возводить конструкции, которые бы могли обеспечить неподвижность и устойчивость опоры. Именно из соображений экономичности появились идеи о создании обсыпных устоев. Рис. 1. Примеры массивных устоев: а - массивный устой на фундаменте мелкого заложения; б - массивный устой с открылками на свайном фундаменте; в - массивный устой с обратными стенками Fig. 1. Examples of massive bridge abutments: a - massive abutment with shallow foundation; b - wing pile abutment; c - U-abutment Обсыпные конструкции устоев с конусами, внутри которых располагаются несущие элементы устоя, являются на данный момент самыми распространенными, заменив массивные благодаря своим преимуществам. На рис. 2 изображены варианты различных обсыпных устоев. Создается впечатление, что несущие элементы устоя, которые находятся внутри конуса, стали легкими и экономичными. При этом грунт насыпи образует устойчивый склон. Однако в ряде случаев данные преимущества нивелируются. Конусы обычно имеют откос с уклоном 1:1,5, а при высоких насыпях и слабых грунтах он может достигать 1:2 и более, что приводит к неоправданно большому удлинению мостового сооружения. Даже для малых и средних мостов может потребоваться два дополнительных пролета длиной 18-24 м, чтобы перекрыть конусы. Из-за удлинения моста требуется также устройство дополнительных опор, которые бы не были необходимы, если бы выбор пал на массивные устои. При этом несущие элементы устоя не освобождены от горизонтального давления грунта насыпи. Кроме того, в работах Д.М. Шапиро [3] показано, что в несущих конструкциях обсыпных устоев присутствуют дополнительные изгибающие моменты. Они возникают из-за деформации основания под воздействием веса подходной насыпи. Рис. 2. Примеры обсыпных устоев: а - стоечный устой на фундаменте мелкого заложения; б - козловой устой на фундаменте мелкого заложения; в - рамный устой на свайном фундаменте; г - безростверковый устой на буровых сваях Fig. 2. Examples of buried abutments: a - post abutment with shallow foundation; b - gantry abutment with shallow foundation; c - framed bent with pile foundation; d - abutment with boring pile foundation Рис. 3. Конструкция устоев с вертикальными стенками Fig. 3. The design of abutments with vertical walls С появлением армогрунтовых систем стало возможным возводить устои с вертикальными стенками (также называемые устоями с раздельными функциями [4-6]). Возможно, в будущем именно они станут превалирующим типом. Данная конструкция позволяет полностью снять горизонтальное давление грунта насыпи с крайних опор, повышая устойчивость откоса на сдвиг за счет применения геосинтетических материалов в грунте насыпи и образуя подпорную стенку (рис. 3). Крайние опоры равноудалены от лицевых сторон подпорных стенок и воспринимают нагрузку только от пролетного строения. Такая конструкция предназначена прежде всего для применения в слабых грунтах. На рис. 4 показано сравнение трех вариантов конструкций для строительства путепровода. Для уменьшения или полного снятия горизонтального давления грунта насыпи с несущих элементов внутри конуса, а также для повышения устойчивости откосов или с целью придания им больших уклонов в обсыпных устоях применяются геосинтетические материалы [7-9], в том числе геотекстиль. Данный метод аналогичен применению геосинтетиков при обратной засыпке в подпорных стенках, и в международных нормах уже давно описаны подобные технологии [9-11]. Экономическая эффективность использования армогрунта в устоях может достигать значительной доли от стоимости типового сооружения [12]. Авторы предлагают новое конструктивное решение, которое заключается в замене обычного грунта, использованного при устройстве обсыпных устоев, фиброармированным. Фиброгрунт представляет собой массив грунта, усиленного короткими дискретными волокнами. При равномерном смешивании с грунтом фибра дает увеличение прочности полученного композита. Существенно и то, что фибровое армирование не требует анкеровки, как линейное армирование георешетками или геотекстилем [13-15]. Рис. 4. Развитие конструктивных решений устоев: а - путепровод с массивными устоями с обратными стенками; б - путепровод с обсыпными устоями; в - путепровод с устоями с вертикальными стенками Fig. 4. The development of abutment designs: a - overpass with massive U-abutment; b - overpass with buried abutments; c - overpass with vertical walls В качестве примера выполнен расчет бокового давления грунта от веса насыпи на опоры мостов по основному нормативному документу в строительстве мостовых сооружений (СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы») и произведено сравнение результатов. В первом случае применяется песок мелкозернистый однородный, во втором - тот же песок, армированный полипропиленовыми волокнами. Необходимые для расчета физические характеристики и параметры прочности грунтов взяты из результатов лабораторных исследований прочностных характеристик фиброармированного песка [16] и представлены в табл. 1. Расчет производился по следующей формуле: (1) где pn - горизонтальное (боковое) давление; gn - удельный вес грунта, кН/м3; hx - высота засыпки, м; tn - коэффициент нормативного бокового давления грунта засыпки береговых опор мостов, определяемый по формуле (2) где jn - угол внутреннего трения грунта, град. Таблица 1 Физические характеристики и параметры прочности исследуемых грунтов [16] Table 1 Physical characteristics and strength parameters of the investigated soil [16] Материал Удельный вес g, кН/м3 Коэффициент водонасыщения Sr Угол внутреннего трения j, град Удельное сцепление c, кПа Песок 16,4 0,6 37 10 Песок с 1 % полипропилена 16,3 43 53 По результатам расчета для устоев мостов с высотой засыпки h = 6 м составлена табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета нагрузок Table 2 The results of stress calculation Материал Высота засыпки hx, м Коэффициент бокового давления грунта засыпки tn Горизонтальное давление грунта насыпи pn, кПа Относительное изменение коэффициента бокового давления Песок 6,0 0,249 24,5 1,0 Песок с 1 % полипропилена 0,189 18,5 0,76 По результатам расчета можно заключить, что применение фибропеска вместо обычного позволяет уменьшить горизонтальное давление на опоры моста на 24 % в общем случае. Фибровое армирование увеличивает удельное сцепление и угол внутреннего трения песка, при этом дренажные свойства существенно не ухудшаются [16]. Это даст возможность сократить затраты на материалы несущих элементов, облегчить обратную засыпку насыпи, но сохранить или даже увеличить прочность и устойчивость. В перспективе классические обсыпные устои, засыпанные фибропеском, могут составить конкуренцию устоям с раздельными функциями в плане реконструкции существующих мостов или снижения затрат на строительство новых.

About the authors

A. V Spirin

Perm National Research Polytechnic University

A. S Grishina

Perm National Research Polytechnic University

V. I Kleveko

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 123

Refbacks

• There are currently no refbacks.