Особенности сооружения фундаментов из опускных колодцев на местности, покрытой водой
В отечественной практике строительства фундаментов из опускных колодцев для облегчения их заглубления в грунт иногда сочетают конструкцию уступов с приданием боковой поверхности наружных стен колодца наклонного положения. Так, для фундаментов опор одного из железнодорожных мостов применили колодцы со ступенчатой трехъярусной формой боковой поверхности стен (рис. 15.4), имевшей наклон 1:100 в пределах каждого яруса и уступы шириной 4 см. Небольшой наклон поверхности стен и небольшой размер уступов служат для предотвращения возможного появления недопустимых перекосов колодца при его опускании через песчаные грунты до опирания на глины. Подобное решение способствовало сокращению на несколько процентов объема бетонной кладки, однако заметно усложнило работы по устройству опалубки наружных стен.
При сооружении колодцев в период низких отрицательных температур, а также для ускорения работ и сокращения затрат труда при строительстве фундаментов применяют сборные конструкции. Например, в районах Забайкалья и Дальнего Востока применили сборные колодцы в местах, где на глубине 3-5 м залегали скальные грунты, прикрытые аллювиальными отложениями. Сборные колодцы (рис. 15.5) состояли из отдельных железобетонных секций высотой 0,5 м и ножа, соединенных между собою стальными вертикальными тяжами диаметром 28-36 мм. Для уменьшения вероятности затирания колодца при погружении его в грунт нож имел наклонную поверхность, выступающую на 10 см за пределы наружной стены колодца. Изготовленные на полигоне секции монтировали на заранее спланированной площадке. В теплое время года на каждую секцию перед установкой последующей укладывали слой цементно-песчаного раствора толщиной 1,5 см. В зимнее время между секциями укладывали металлические прокладки толщиной 15 мм для образования зазоров с заполнением их цементно-песчаным раствором.
Рис. 15.4. Фундамент опоры железнодорожного моста
Рис. 15.5. Сборный железобетонный колодец
По окончании монтажа опускного колодца в отверстия в стенах устанавливали металлические тяжи и стягивали ими секции между собой. Отверстия с закрепленными в них тяжами заполняли цементным раствором. Грунт из полости колодца удаляли грейфером. После опускания колодца до проектной отметки его полость заполнили бетоном.
Тема 6. Усиление и переустройство фундаментов.
Лекция № 16.
Обследование оснований и фундаментов опор мостов и путепроводов. Определение фактической несущей способности оснований и фундаментов опор мостов и путепроводов с учетом имеющихся дефектов и повреждений и изменения физико-механических свойств грунтов оснований.
Лекция № 17.
Характерные разрушения фундаментов мостовых опор и путепроводов. Методы усиления оснований и фундаментов.
Повреждения оснований и фундаментов
Основа проектирования фундаментов - качественные материалы инженерно-геологичес-ких изысканий. Только при наличии таких материалов можно запроектировать и построить надежные и долговечные фундаменты и сооружения. Поэтому содержание и объем инженерно-геологических изысканий, в том числе глубину бурения геологоразведочных скважин, всегда должна назначать проектная организация в зависимости от степени изученности района строительства объекта, сложности геологического строения, гидрогеологических и геологических особенностей в местах проектируемых фундаментов, физико-геологических процессов, которые могут нарушить устойчивость сооружения в период его строительства и эксплуатации, а также от характерных особенностей моста.
Однако, как показывает опыт, основной причиной аварий ряда сооружений является именно недостаточно глубокий анализ исходных данных, предназначенных для проектирования фундаментов. Рассмотрим на примерах наиболее характерные случаи недопустимых повреждений и деформаций устоев мостов из-за ошибок в инженерно-геологических изысканиях и в проектировании фундаментов.
Автодорожный мост длиной 44,7 м был запроектирован из трех пролетных строений по 14,1 м (рис. 17.1). Левобережный устой моста примыкал к подходной насыпи высотой 7 м. Фундамент устоя состоял из двух рядов железобетонных свай диаметром 40 см. Сваи переднего ряда были забиты с наклоном 3,5:1, заднего - вертикально. В каждом ряду по пять свай. Русловые опоры моста имели также свайные фундаменты из двух рядов железобетонных свай диаметром 40 см, забитых вертикально, в каждом фундаменте по 10 свай.
Рис. 17.1. Обрушение береговой части моста вследствие сдвига устоя: 1 - твердая глина; 2- супесь текучепластичная с прослойками песка; 3 - трещины от сдвигов грунта; 4 - выпученная арматура стоек; 5 - трещины в стойках
Согласно материалам инженерно-геологических изысканий мостового перехода, в основании пяти опор залегли плотные суглинки. На основании таких данных о грунтах был запроектирован и построен мост. Еще при отсыпке подходной насыпи произошло первое смещение левобережного устоя в сторону реки на 20 см, одновременно сдвинулись и все балки берегового пролетного строения. В то время решили убрать грунт отсыпанной части конуса, и в уровне естественной поверхности грунта объединить сваи устоя железобетонной плитой толщиной 0,8 м. При поддомкрачивании сдвинутого берегового пролетного строения для установки его в проектное положение устой сместился в сторону реки еще на 3 см. После выполнения этих работ продолжили отсыпку насыпи и конуса.
Через двое суток после окончания отсыпки произошли новое смещение устоя и деформация левобережной береговой опоры. Она сместилась с оси в сторону русла реки с наклоном монолитной части в сторону реки на 0,5-0,6 м. Одновременно стойки опоры наклонились вместе с ригелем. Во всех стойках наблюдались выколы бетона со стороны реки на высоте примерно 0,4 м от уровня их заделки в монолитную часть опоры. Арматура стоек со стороны берега оголилась и выпучилась. Трещины, пересекавшие насыпь и распространившиеся в естественном грунте на берегу, четко оконтурили характерную линзу глубокого сдвига. После этого наступила стабилизация сдвига.
Однако через четверо суток масса грунта вместе с устоем дополнительно продвинулась в сторону реки и сместила ранее поврежденную береговую опору еще на 1,5 м. При этом разрушились и упали стойки с ригелем и опиравшиеся на опору пролетные строения. Речное пролетное строение сломалось в пределах концевого участка со стороны правого берега. Правобережное пролетное строение несколько сместилось с опорных частей. В нижних концах трех стоек с верхней стороны правобережной речной опоры от ударов падавшего пролетного строения образовались трещины.
Смещение грунтовых масс левого берега достигло 3,5 м, а грунт конусной части левобережной подходной насыпи уперся в наклонившуюся монолитную часть береговой опоры. Раскрытие трещин подходной насыпи и в грунте берегов достигло 6 см.
После аварии были проведены детальные контрольные инженерно-геологические изыскания мостового перехода, которые установили, что склоны берегов покрыты примерно двух-трехметровым слоем супеси, находящейся в текучем состоянии, с линзами и прослойками песка. Ниже залегает толща твердых девонских глин, кровля которых на левом берегу в районе устоя моста наклонена в сторону реки под углом 10°.
Проверочные расчеты глубокого сдвига по кругло-цилиндрическим поверхностям скольжения, определенным по четырем фактическим границам смещения, подтвердили основную причину аварии: неправильные данные первоначальных инженерно-геологических изысканий, которые не выявили покровного пласта супесей, находящихся в текучем состоянии. У проектной организации, ориентировавшейся на материалы инженерно-геологических изысканий о наличии в основании плотного суглинка, не возникло опасений о глубоком сдвиге.
Из-за неправильной оценки грунтов основания сваи вбили только в кровлю девонских глин без необходимой заделки нижних концов, что и послужило одной из причин разрушения левобережной промежуточной опоры. Эта опора опрокинулась вместе со сваями, которые легко выдернулись из грунта при небольшом горизонтальном давлении на ее цокольную часть.
После раскопки сдвинувшегося устоя козлового типа обнаружили изгибы как вертикальных, так и наклонных свай с системой характерных трещин с раскрытием до 0,5 мм.
Этот факт вынуждает обратить самое серьезное внимание на расчет обсыпных устоев козлового типа, поскольку в этом случае как вертикальные, так и наклонные сваи подвергаются большим неравномерным давлениям со стороны насыпи. Поэтому они должны быть проверены, помимо расчетов устоя в целом, на прочность и трещиностойкость по изгибу стволов от одностороннего давления грунта со стороны насыпи.
Рассмотрим еще один пример из мостостроительной практики. Согласно первоначальному проекту, однопутный железнодорожный мост длиной 147,7 м должен был быть построен по схеме 5×27,6 м (рис. 17.2, а) с опорами высотой от обреза фундамента 21,8 м. Фундаменты опор были запроектированы из железобетонных забивных свай сечением 3535 см и длиной 8 м. Для фундаментов устоев забили по 70 свай, из них четыре передних ряда с наклоном 5:1. Для фундаментов промежуточных опор забили по 49 свай, из них крайние ряды свай вдоль и поперек оси моста тоже с наклоном 5:1.
Рис. 17.2. Схемы моста: а - первоначальная; б - после перестройки
В материалах инженерно-геологических изысканий было указано, что на склоне более крутого левого берега имеются значительные по своей длине следы древнего оползня с типичными формами оползневого рельефа, сглаженного процессами выветривания. Упомянуто было об активизации некоторых давних оползней, проявляющейся в отдельные, обильные осадками годы и после землетрясений, частых в районе. Сейсмичность района расположения моста - 7 баллов. Находящиеся под почвенным слоем берегового склона четвертичные отложения толщиной 1,5-3,4 м представлены в основном оползневыми накоплениями из перемятых лессовидных суглинков и тугопластичных глин. В прошлом происходило движение этих отложений по кровле тугопластичных и полутвердых глин в условиях постоянного подтопления плоскости скольжения грунтовыми водами, которые находятся на глубине 1,2-2,7 м от дневной поверхности.
В период постройки железнодорожной линии для подъезда к мосту с левого берега вскрыли глубокую выемку, в результате чего нагорные и грунтовые воды с верховой части склона начали поступать в кюветы, а далее вдоль подошвы насыпи. В результате поступления поверхностных вод различного происхождения (атмосферные осадки, сток вод из кюветов и др.) повысился уровень подземных вод в пределах левобережного склона.
Отсыпку подходной насыпи высотой до 22 м на левобережном склоне начали в октябре 1977 г. и с небольшими перерывами продолжали до конца марта 1978 г., когда работы пришлось прекратить из-за появления трещины в теле насыпи на ПК 5+70. Одновременно с трещинами у правого (по ходу пикетажа) конуса образовался бугор высотой 2 м из четвертичных отложений, выдавленных из-под насыпи. До проектной высоты насыпь досыпали в начале мая, при этом количество и размер трещин в ней значительно увеличились, а ее просадки на ПК 5+70, ПК 6+00, ПК 6+40 достигли соответственно 0,40, 0,70, 0,85 м.
Кроме поперечных трещин, в насыпи возникли и глубокие продольные, а также бугры выдавленного грунта высотой до 1 м.
В середине августа начала интенсивно проседать береговая часть насыпи от ПК 6+00, а на ее левом откосе вдоль нижней части в 10-15 м от оси пути возникла широкая трещина, вдоль которой произошла просадка до 1,5 м центральной части насыпи. Одновременно увеличились и бугры выпирания грунта с левой и особенно с правой стороны конуса, где высота бугра достигла 2,5 м и было обнаружено угловое смещение устоя и береговой опоры с ее наклоном.
Все эти явления произошли вследствие возникновения под насыпью в грунте берегового склона значительной сдвигающей силы в сторону реки, нарушившей устойчивость покровного грунтового пласта и способствовавшей образованию оползня.
Первоначально сдвинулся участок подходной насыпи длиной 114 м и, надавив на устой, сломал все 70 свай и сдвинул его на 2,53 м, развернув на 4° в низовую сторону. Вследствие столь значительного сдвига устоя почти одновременно произошли уплотнение и срез грунтового пласта, находящегося между ростверками фундаментов устоя и береговой опоры, излом 49 свай ее фундамента и сдвиг его на 1,3 м с разворотом в низовую сторону на 4° и наклоном в сторону сдвига на 1° при смещении в уровне подферменной площадки на 1,6 м.
Вес участка насыпи длиной 114 м, сдвинувшегося в первый период развития оползня, при среднем удельном весе грунта 18 кН/м3 равнялся примерно 2000 МН. При угле наклона плоскости сползания грунтового массива 8° составляющая равнялась 25 МН.
По мере продолжавшейся отсыпки насыпи коэффициент запаса ее устойчивости постепенно снижался и перед началом смещения был примерно равен 1, а коэффициент сдвига составил 0,14.
Переустройство моста начали с ликвидации основной причины оползня, т.е. с уборки всей подходной насыпи, загрузившей неустойчивый левобережный склон долины.
Первоначальным проектом предусматривалась не только уборка подходной насыпи, но и вырезка всей оползневой линзы. Однако с этим нельзя было согласиться. Убрать насыпь можно было только до естественной поверхности берегового склона. Удаление покровного грунтового пласта толщиной 3,5 м, сползавшего вместе с подходной насыпью, т.е. удаление грунта низовой части склона ниже естественной поверхности, могло резко изменить гидрологический режим и вызвать в будущем подвижки грунтовых масс верхней части склона долины. Устойчивость самой оползневой линзы (участок абвг на рис. 17.2, а) после удаления подходной насыпи и исключения ее силового воздействия была обеспечена.
Взамен удаленной насыпи построили часть моста (рис. 17.2, б). Сдвинутые устой (рис. 17.3) и береговой бык разобрали до обреза сломанных фундаментов и построили семь новых опор. С речной стороны перед сдвинутой опорой между сдвинутым устоем и опорой возвели новые опоры и установили два пролетных строения длиной по 18,7 м. На левобережном склоне соорудили пять новых опор, на которые установили два пролетных строения длиной по 27,6 м и три по 34,2 м. Полная длина моста увеличилась на 141,6 м.
Рис. 6.3. Схемы смещения устоя и береговой опоры
Если в предыдущих двух примерах освещены деформации оснований устоев из-за нарушения устойчивости береговых склонов после их нагружения весом насыпи, то ниже рассмотрен пример нарушения устойчивости склона без дополнительной его пригрузки только от динамического воздействия молота, забивавшего сваи фундамента.
Левобережный устой большого автодорожного моста (рис. 17.4, а) намечалось возвести непосредственно на береговом склоне. В геоморфологическом отношении левый, высокий берег представляет первую надпойменную террасу, подошвой которой является пестроцветная толща очень плотных девонских глин. Берег сложен древнеаллювиальными песчаноглинистыми отложениями с преобладанием мелких песков в нижней части разреза. Мощность песчаных отложений увеличивается от реки в сторону водораздела. Сверху они прикрыты пластами суглинков и супесей мощностью от 1,8 до 6,2 м с увеличением толщины от водораздела в сторону реки. Эти отложения в районе устоя моста переслаиваются мелкими песками и суглинками. Песчаные грунты левого берега имеют постоянный напорный водоносный горизонт, водоупором для которого являются девонские глины. Этот водоносный горизонт постоянно дренируется рекой.
Рис. 17.4. Береговая часть моста: а - до перестройки; б - расположение опоры № 1 в плане; в - после перестройки; 1 - глина твердая; 2 - песчаник; 3 - аргиллит; 4 - глина полутвердая; 5 - суглинок полутвердый; 6 - песок мелкий; 7 - суглинок тугопластичный; 8 - трещина; 9 - обвалы грунта
Вдоль берега, в районе мостового перехода, наблюдаются многочисленные выходы подземных вод в виде родников при их дебите порядка 0,5-3 л/мин. В месте мостового перехода левый берег размывается, причем наблюдается его ускоренное разрушение. Мелкие пески нижней части разреза легко размываются паводковыми водами, образуя отвесные или даже с отрицательным углом стены высотой 4-5 м из вышележащего суглинка.
Неустойчивое положение грунтов берегового склона выявилось сразу же после начала забивки свай фундамента. В период забивки первого заднего ряда свай в грунте образовалась трещина с раскрытием до 2 см, которая прошла через ось свайного ряда и вышла с обеих сторон неглубокого котлована на склоны берега (рис. 17.4, б). Из трещины пошла напорная подземная вода.
В результате детального изучения инженерно-геологического рельефа склона берега было выявлено неустойчивое равновесие наклонного пласта суглинка, покоящегося на мелких песках, содержащих напорные грунтовые воды. Динамического воздействия, вызванного забивкой нескольких свай, оказалось достаточно, чтобы нарушить это равновесие и привести в движение примыкающий грунтовый массив.
Проверочные расчеты показали, что при отсыпке подходной насыпи и конуса, выходящего на крутую часть берегового склона, создались бы реальные условия для возникновения оползня, который сместил бы устой моста и мог вызвать падение переходного пролетного строения.
В итоге было рекомендовано удлинить левобережную часть моста на один пролет длиной 22,16 м, использовав возводимый фундамент устоя под промежуточную опору (рис. 17.4, в), добавив в ее фундамент наклонные сваи и понизить отметку заложения плиты. При этом новый устой сместили в нагорную сторону берега, где существенно понижалась высота подходной насыпи. Его фундамент сделали с наклонными сваями.
Эти меры способствовали разгрузке оползневого берегового склона от большого веса сравнительно высокой в этом месте подходной насыпи. Стоимость работ, связанных с удлинением моста, практически не возросла из-за исключения высокой части подходной насыпи и больших работ по устройству и укреплению конуса, уходившему по крутому береговому откосу намного ниже уровня паводковых вод. Кроме того, при дополнительном береговом пролете появилась возможность устройства автодорожного проезда под мостом.
На основе анализа характера недопустимых при условиях нормальной эксплуатации мостов повреждений и деформаций опор можно сделать вывод о том, что причиной возникавших дефектов оснований и фундаментов была ошибочная оценка инженерно-геологических условий в местах проектируемых опор. Это происходило потому, что геологи в одних случаях представляли явно неполноценные материалы, которые проектировщики не имели права использовать, в других случаях, несмотря на достаточную полноту материалов, в них не обращалось внимание проектировщиков на возможные отрицательные последствия, которые могут проявиться в периоды строительства или эксплуатации мостов ввиду сложных геологических условий.