книги из ГПНТБ / Строительство фундаментов опор малых и средних мостов в суровых климатических условиях

ет до дна. Русло водотока на глубине 4—5 м сложено из водо­ насыщенных супесчаных грунтов различной консистенции, верхние слои заторфованы, местами супесь переслаивается с песчано-гравийными грунтами. Ниже залегают дресвяно-щебе­ нистые грунты, а на глубине 10 м—трещиноватые скальные породы. Глубина сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов, достигает 3 м. Влажность грунтов на глубине расположения фундаментов колеблется в пределах 15%. Фундамент заложен на непросадочных (при оттаивании) дресвяно-щебенистых

грунтах.

В данных геологических и мерзлотно-грунтовых условиях строится мост по схеме 3X9,3 м (рис. 6). Береговые опоры предусмотрены с фундаментами стоечно-стаканного типа, а промежуточные—сборно-монолитные анкерного типа.

Рис. 6. Схема моста на площадке № 1:

/—устой стоечно-стаканного типа; 2—железобетонное пролетное строение; 3—сборно-монолитная опора; 4—термометрические скважины Ns 1—14

Сооружение фундаментов выполняли в различное время года. Котлованы фундаментов опор № 1 и 2 разрабатывали в зимний период времени вручную при помощи отбойных мо­ лотков способом «проморозок». Весной при наступлении тепла сооружение этих фундаментов было закончено, а пазухи за­ сыпаны местным талым грунтом с температурой, близкой к нулю.

10

Фундаменты опор № 3 и 4 сооружали в летний период, «котлованным» способом, причем грунт в верхней части кот­ лованов разрабатывали с определенным уклоном для обеспе­ чения устойчивости откосов, а в нижней его части—с верти­ кальными стенками и одновременным креплением деревянны­ ми щитами.

В процессе производства работ стенки котлованов предо­ храняли от попадания солнечных лучей брезентом. В котло­ ван опоры № 3 поступало незначительное количество воды,

восновном со стенок за счет оттаивания вечномерзлых грун­ тов, а в котлован опоры № 4—значительное. В процессе раз­ работки котлована № 4 были обнаружены талые включения-

ввиде отдельных водоносных прослоек. По мере углубления

котлована поступление воды увеличивалось и достигало50 м3/ч. Воду из котлованов откачивали по мере скопления.. На глубине заложения фундаментов опор № 3 и 4 имелись ло­ кальные включения супесчаных грунтов пластичной конси­ стенции, которые были удалены и заменены щебенистымгрунтом.

После окончания строительства фундаментов выполняли засыпку котлованов и вели монтаж надфундаментной частиопор моста. Движение поездов по мосту было открыто в ав­ густе этого же года.

Для наблюдения за ходом изменения температуры грун­ тов как в процессе строительства, так и после его окончания одновременно с устройством фундаментов были установлены термометрические трубки в специально пробуренные скважи­ ны. Термометрические скважины диаметром 38 мм устраивали в непосредственной близости к наружной поверхности фунда­ мента каждой опоры (ем. рис. 6) на глубину заложения егоподошвы и ниже, а скважина № 8 была пробурена на рассто­ янии 10 см от края фундамента, внутри его монолитной части.

Температурные наблюдения показали, что в пределах рас­ положения нижней части фундамента опоры № 1 грунты на­ ходились в мерзлом состоянии.

В пределах расположения фундамента опоры № 2 замече­ но некоторое повышение температуры грунтов и отступлениемерзлоты. Под основанием этой опоры на глубине до 1 м грун­ ты находились в талом, а ниже—в мерзлом состоянии. Талые грунты имелись в пределах расположения фундаментов опор № 3 и 4, причем за период, прошедший после их возведения, не замечено признаков восстановления мерзлого состояния грунтов.

Второй строительный участок расположен в непосредствен­ ной близости от первого. Водотокэтого участка периодический, с незначительным в летнее время расходом воды. Ниже рус­ ла водотока на глубине до 2,2 м расположены насыщенные водой пески средней крупности с включением торфа. Еще ни-

П

же встречаются гравий, галька с песчаным заполнителем, а на глубине 5,4 м—щебень с дресвой и суглинком. Коренные по­ роды—амфиболевые сланцы—залегают на глубине 7,3 м. Глу­ бина сезонного оттаивания вечномерзлых грунтов составляет 3 м.

Рис. 7. Схема моста на опытной площадке № 2

1—сборный устой; 2—железобетонное пролетное строение; 3—железобетонные сваи

Мост запроектирован свайно-эстакадной конструкции по схеме 1ХП,5 м (рис. 7). Железобетонные сваи сечением 35x35 см и длиной 10 м устанавливали в пробуренные сква­ жины в один прием после окончания бурения всех восьми скважин с последующим заполнением их цементно-песчаным раствором. По мере завершения бурения готовые скважины закрывали специальными инвентарными щитами. Проходку скважин диаметром 60 см осуществляли станком ударно-ка­ натного действия УКС-ЗОМ. Устройство скважин фундамента опоры № 2 начато й апреле и закончено в начале мая. На сле-

12

дующий день установлены сваи в скважины и произведено омоноличиваниесвай цементно-песчаным раствором.

В скважины устанавливали термометрические трубки. Для удобства установки их предварительно прикрепляли к сваям и опускали вместе со сваями в скважины. На опоре № 2 уста­ новлены четыре термометрические трубки, через которые осу­ ществляли наблюдения за ходом изменения температуры в пределах расположения фундамента. Одна контрольная сква­ жина пробурена за пределами опоры. Термометрические сква­ жины устроены также и на опоре № 1.

При строительстве фундаментов этого моста установлены также два опытных столба диаметорм 50 см (см. рис. 7). Тер­ мометрические трубки расположены в пределах сечения стол­ бов.

Скважины после установки свай заполняли раствором на полную высоту, т. е. до верха земли без учета насыпного грун­ та. Температура цементно-песчаного раствора (состав 1:4) в момент заполнения скважин колебалась в пределах 8—12°С.

Результаты температурных наблюдений показали, что пос­ ле установки свай и заполнения скважин раствором происхо­ дит постепенное остывание раствора и свай. Отрицательные температуры по боковой поверхности свай появляются на чет­ вертые сутки, а на седьмые сутки отрицательные температуры достигают расчетных величин. Процесс восстановления темпе­ ратуры грунтов продолжается непрерывно, полное восстанов­ ление мерзлого состояния происходит практически в течение одного-двух месяцев.

Проведенные в процессе строительства мостов наблюдения показали, что в любых мерзлотно-грунтовых условиях летнее производство работ «котлованным» способом приводит к не­ избежному повышению температуры или оттаиванию мерзлых грунтов в пределах расположения фундаментов опор. Особен­ но характерно это явление для монолитных фундаментов мас­ сивной конструкции, а также и для облегченных сборных фун­ даментов из-за необходимости обратной засыпки котлованов талым грунтом.

Совершенно иное положение наблюдается при строительст­ ве в летнее время свайных фундаментов. Здесь при правиль­ ном ведении работ по устройству скважин и установке в них свай с последующим заполнением раствором обеспечивается постепенное и своевременное восстановление мерзлого состоя­ ния грунтов в пределах свай.

УСТОЙЧИВОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ ОПОР мостов

КВОЗДЕЙСТВИЮ СИЛ ПУЧЕНИЯ

Всуровых климатических условиях при строительстве фун­ даментов опор мостов по существующим для этих районов

13

типовым и индивидуальным проектам имелись случаи недоста­ точной устойчивости отдельных типов фундаментов к воздей­ ствию сил морозного пучения.

Как показала практика строительства, фактические значе­ ния сил выпучивания существенно превышают величины, при­ нятые в СНиП П-Б.6-66. Случаи выпучивания мостовых опор в определенной степени объясняются заниженными значения­ ми нормативных сил выпучивания, принимаемыми при их раз­ работке и привязке. Ошибки в определении суммарной выдер­ гивающей или удерживающей сил приводят к выпучиванию фундаментов опор мостов как массивной, так и облегченной конструкции (особенно промежуточных опор).

Деформированные морозным пучением мосты чаще всего встречаются в южных районах распространения вечномерз­ лых грунтов. Объясняется это наличием в этих районах не­ устойчивых высокотемпературных вечномерзлых грунтов с глубоким сезонным промерзанием (до 3—4 м), а также зале­ ганием верхней границы вечной мерзлоты в некоторых случа­ ях на значительных глубинах—ниже зоны расположения фун­ даментов.

Случаи деформации мостов от воздействия сил пучения имеются и в северных районах, в условиях сплошного рас­ пространения вечномерзлых грунтов. Например, в Заполярье,, в районе Норильска многие из мостов, построенных за послед­ ние 30 лет, подверглись деформациям.

Строительство этих мостов вели в основном по методу со­ хранения мерзлого состояния грунтов основания. Фундаменты закладывали ниже деятельного слоя на глубину 1,5—6 м. Пазухи котлованов в пределах деятельного слоя заполняли смесями типа глинобетона с послойным их трамбованием, а в нижней части—местным талым грунтом с обязательной уборкой опалубки в пределах этого слоя. Боковые поверх­ ности фундаментов в пределах деятельного слоя покрывали слоем битума.

С целью сохранения грунтов основания в мерзлом состоя­ нии вокруг опор, не засыпаемых насыпями, укладывали слои торфа или мха, а также устраивали отмостки на мхе. Конусы и подходы земляного полотна отсыпали дренирующими грун­ тами. Перед бетонированием фундамента под его подошву подсыпали слой щебня, гравия или песка толщиной 15—30 см или устраивали деревянный ростверк из двух рядов брусьев сечением 20X20 см.

Котлованы, находящиеся в пойме и русле водотоков, раз­ рабатывали в зимний период методом промораживания. В других случаях котлованы разрабатывали в летнее время под солнцезащитными козырьками или навесами.

Опыт строительства и эксплуатации этих мостов показыва­ ет, что в пучинистых грунтах опоры постоянных мостов, по-

14

строенных на монолитных бетонных фундаментах и заглуб­ ленных в вечномерзлые грунты на 1,5—2,5 м, почти все под­ вергались деформациям выпучивания. В мостах, построенных с заглублением фундаментов в вечномерзлые грунты пример­ но на двойную мощность деятельного слоя (4—6 м), выпучи­ вание опор было крайне редким явлением.

Имелись случаи оттаивания вечномерзлых грунтов под фундаментами опор постоянных мостов. Это вызывало как осадку, так и выпучивание опор. Особенно подвергались этим деформациям опоры мостов, расположенных в условиях высо­ котемпературных вечномерзлых грунтов. В этих условиях вы­ пучивание опор происходило по той причине, что понижение верхней границы вечной мерзлоты увеличивало мощность де­ ятельного слоя—тем самым и суммарную силу выпучивания опоры, а заанкеривание фундамента в вечномерзлом грунте уменьшалось.

За последние годы в условиях северной строительно-кли­ матической зоны в районах Сибири и Дальнего Востока на­ блюдались частые случаи деформации фундаментов опор свайно-эстакадных мостов, построенных в пучинистых грун­ тах.

Для устойчивости опор эстакадных мостов в этих районах требовалось, в зависимости от мерзлотно-грунтовых условий и конструктивно-технологических решений фундаментов, обес­ печить необходимую анкеровку свай в грунте ниже глубины деятельного слоя.

Причиной, вызвавшей массовый характер деформаций свайно-эстакадных мостов, является не облегчение конструк­ ций фундаментов опор мостов, а те недостатки конструктивнотехнологического характера, которые имели место при их воз­ ведении.

В настоящее время разработаны специальные проекты свайно-эстакадных мостов для строительства в районах север­ ной строительно-климатической зоны. Однако устойчивость таких фундаментов в большей степени зависит от способов их возведения, чем от конструктивных решений, поэтому тех­ нологии их сооружений в различных геологических и мерз­ лотно-грунтовых условиях должно быть уделено достаточно внимания.

Наименьшую площадь смерзания с деятельным слоем (см. табл. 1 и 2) имеют при низких насыпях и малых пролетах фундаменты стоечно-стаканного, свайного и столбчатого ти­ пов; при высоте насыпи более 4 м и пролетах длиною до 16,5 м—столбчатые фундаменты. Устои и промежуточные опо­ ры массивной конструкции, а также свайные фундаменты с низкими и высокими ростверками имеют сравнительно боль­ шую площадь смерзания с грунтом деятельного слоя.

Заделку фундаментов можно считать обеспеченной, если

15

глубину анкеровки 'принять согласно табл. 3, разработанной в Хабаровском институте инженеров железнодорожного транс­ порта (ХабИИЖТ).

Из этой таблицы следует, что если для свайных и столбча­ тых фундаментов обеспечение глубины анкеровки в вечно­ мерзлые грунты на величину 4 м вполне возможно, то для фундаментов мелкого заложения, требующих в этих же усло­ виях глубины анкеровки, равной 2—2,5 м,—затруднительно из-за необходимости разработки котлованов глубиной до 5—6 м. Если еще учесть производство работ в летнее время и при этом неизбежность оттаивания вечномерзлых грунтов, то применение фундаментов мелкого заложения, сооружаемых «котлованным» способом, возможно лишь в условиях их опирания на скальные породы или на непросадочные при оттаи­ вании грунты. Свайные фундаменты с низкими ростверками хотя и обеспечивают устойчивость фундаментов, но являются многодельными и чрезмерно трудоемкими, требующими, кро­ ме котлованных работ, еще бурения большого количества скважин. Поэтому применение таких фундаментов для опор малых и средних мостов является нерациональным. Подтвер­ ждением оказанному служит отказ от таких фундаментов на строящихся линиях Вам—Тында и Чита—Иркутск и их заме­ на другими типами.

Наиболее устойчивыми против выпучивания можно счи­ тать конструкции бесплитных свайных, столбчатых и анкерных фундаментов. Однако целесообразность применения фунда­ ментов анкерного типа определяется конкретными местными условиями строительства и, следовательно, универсальными они не являются.

Бесплитные свайные и столбчатые фундаменты в более полной мере отвечают требованиям индустриальности строи­ тельства, обеспечивают устойчивость фундаментов в любых мерзлотно-грунтовых условиях и могут применяться в малых и средних мостах, эстакадах и путепроводах.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНДАМЕНТОВ ОПОР МОСТОВ

Устойчивость фундаментов опор мостов в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания обеспечивается изменением и совершенствованием их конструктивно-техноло-

16

гических решений, а также путем использования специальных, мероприятий, направленных на нейтрализацию и исключение процессов термомеханического взаимодействия фундамента опор с мерзлыми и промерзающими грунтами.

Наиболее эффективными и надежными мероприятиями яв­ ляются:

противопучинные—применение химически стойких обмазок: и покрытий фундаментов в пределах деятельного слоя на осно­ ве эпоксидной смолы, устройство уширений (анкеров) в ниж­ ней части фундаментов, применение дренирующих засыпок: конусов и насыпи в пределах расположения устоев, заполне­ ние пазух и пространств местным грунтом;

защитные от протаивания—достаточное заглубление фун­ даментов в вечномерзлый грунт; заложение фундаментов на плотные непросадочные основания; качественное зимнее про­ изводство фундаментных работ, использование сборного бе­ тона и железобетона, устранение подпора воды и образования наледей в пределах мостов за счет проектирования их с уве­ личенными отверстиями.

Однако наилучшим вариантом является такой тип фунда­ мента, который не требует осуществления мероприятий, обла­ дающих большой стоимостью и не являющихся достаточно надежными при длительной эксплуатации сооружения. С этой точки зрения наиболее оптимальными оказываются столбча­ тые фундаменты, которые в наибольшей мере удовлетворяют поставленным условиям.

Процесс возведения одного столба слагается из следующих операций:

установки в проектное положение и заглубления инвентар­ ного патрубка в слой сезонного промерзания и оттаивания грунта;

разработки и удаления грунта из скважины с применением бурового станка;

установки в пробуренную скважину столба и выверки его положения по проектным осям;

заполнения цементно-песчаным раствором зазора между стенками скважины и столбом на высоту вечномерзлого слоя;

. заполнения местным грунтом оставшегося зазора между стенками скважины и столбом выше цементного раствора до дневной поверхности.

В случае наличия грунтовых вод применяют инвентарные обсадные трубы. После возведения всех столбов опоры уста­ навливается и омоноличивается насадка.

Заполнение скважин цементно-песчаным раствором произ­ водится после установки столба в скважину на проектную от­ метку. Раствор в скважину подается по трубе диаметром 75—100 мм растворонасосом. При наличии в скважине воды раствор рекомендуется укладывать по методу ВПТ. В случае

17

применения обсадной трубы последнюю извлекают по мере нагнетания цементно-песчаного раствора в скважину.

Сравнение столбчатой опоры моста, построенной -на авто­ дороге Улан-Удэ—Чита, с другими типами опор приведено в табл. 4.

Рассматриваемая столбчатая опора состоит из располо­ женных в один ряд трех столбов диаметром 60 см, длиной 17 м, заглубленных в грунт на 14 ж и объединенных поверху насадкой толщиной 60 см.

Столбчатая опора имеет наиболее низкую сметную стои­ мость по сравнению с другими типами опор, возводимых в тех же условиях.

* В объем кладки столбчатой опоры включен цементно-песчаный рас­ твор для заполнения нижней части скважины (10,7 ж3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании обобщения опыта строительства и эксплуа­ тации мостов в условиях северной строительно-климатической зоны можно сделать следующие выводы.

При строительстве фундаментов опор малых и средних мо­ стов по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов основания следует отказаться от широкого применения фун­ даментов, сооружаемых на естественном основании «котло­ ванным» способом.

Береговые и промежуточные опоры с массивной или об­ легченной надфундаментной частью и монолитными или сбор-

18

но-монолитными фундаментами на естественном мерзлом осно­ вании не удовлетворяют требованиям индустриально-скорост­ ного строительства, характеризуются низкими технико-эконо­ мическими показателями и предрасположены к возникновению деформаций и повреждений в случае деградации вечно­ мерзлых грунтов. Использование для этих опор различных за­ щитных мероприятий является нетехнологичным и в большин­ стве случаев малоэффективным.

Столбчатые опоры с фундаментами анкерного типа, а так­ же стоечно-стаканные, при всех своих достаточно высоких технико-экономических показателях, не могут широко исполь­ зоваться в строительстве на вечномерзлых грунтах, поскольку имеют недостатки, присущие массивным монолитным фунда­ ментам.

Возможность деградации вечномерзлых грунтов в зоне та­ ких фундаментов будет примерно одинаковой с массивными, вследствие «котлованного» способа производства работ и при­ менения монолитной кладки. Поэтому такие фундаменты ре­ комендуются для применения только в условиях неглубокого залегания скальной породы или других плотных непросадочных при оттаивании грунтов.

Опоры различного типа на свайных фундаментах с низким ростверком (см. рис. 1) могут применяться для строительства средних и больших мостов при глубоком залегании верхней границы вечной мерзлоты. Однако следует учесть, что техни­ ко-экономические показатели таких фундаментов низкие.

Для опор малых и средних мостов наиболее приемлемыми из применяемых типов являются бесллитные свайные фунда­ менты. Такие конструкции (см. рис. 3) рациональны при дли­ не пролетов до 11,5 ж для железнодорожных мостов и до 16,5 м— для автодорожных. При больших пролетах и высокой насыпи эффективность их применения снижается из-за резко­ го увеличения количества свай под опорами.

Опоры мостов с фундаментами столбчатого типа (см. рис. 4, 5) по своим конструктивно-технологическим решениям и технико-экономическим показателям являются наиболее перспективными в различных условиях строительства. Такая опора состоит из наименьшего количества элементов, проста в возведении и надежна в эксплуатации. Эффективность та­ ких опор тем выше, чем меньше количество столбов и разме­ ры их поперечного сечения.

Применение столбчатых опор позволяет исключить произ­ водство трудоемких котлованных работ, в меньшей мере на­ рушается мерзлое состояние грунтов в процессе строительст­ ва, восстановление мерзлоты происходит сравнительно быст­ ро, еще в период строительства мостового перехода.

Опоры автодорожных малых и средних мостов рекоменду-

19