книги / Сопряжение проезжей части автодорожных мостов с насыпью

дамая. плотность грунтов земляного полотка возле IMOCTOB и кону­ сов. Так, выборочные обследования подходав к мостам на одной. на недавно законченных строительство.. дорог в Брянской обл. показали, что коэффициент уплотнения грунтов возле устоев (2 м от моста) составил лишь 0,91 от стандартной плотности (на кону­ сах еще .меньше — 0,-87—0,90), а в 50 м от моста плотность грун­ тов приближалась «к максимальной стандартной (/С—1,0). Л окрытия_возле мостов на этой дороге имеют значительные деформации..

Грубейшим нарушением технологии работ, наконец, является укладка переходных плит .и покрытия на подходах к мостам сразу после отсыпки насыпи (или засыпки пропала.), когда деформации

Рис. 5. Деформации конструкций сопряжения:

консолидации ‘Грунтов наиболее интенсивны. В (результате проса­ док переходные плиты резко наклонлютея (до 35—50°) я теряют свое назначение (рис. 5, а), а покрытие деформируется.

Отмеченные недостатки конструктивных решений и технологии работ приводят к расстройству сопряжений моста с насыпью в целом. Деформируются не только покрытие, но и .конусы (рис. 5,6).

Все это ведет к тому, что ровность покрытия не удовлетворя­ ет техническим требованиям, а его просадки в некоторых случа­ ях не безопасны для транспорта, движущегося с (большой ско­ ростью.

Важно отметить, что устранение недостатков конструкций и технология работ, допущенных при устройстве сопряжений, в про­ цессе эксплуатации обычными мерами (укладкой дополнительных слоев асфальтобетона, нагнетанием под цементнобетонные плиты покрытия цементного раствора и др.) малоэффективны. Ремонт покрытия в пределах разрушенных сопряжений лишь временно приостанавливает неизбежный процесс деформаций.

Г Л А В А И. ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПОДХОДАХ

КМОСТАМ

§4. Виды деформаций

Строительно-эксплуатационные характеристики земляного по­ лотна возле искусственных сооружений по сравнению с остальны­ ми участками дороги имеют ряд особенностей. Эти особенности проявляются при исследовании водно-теплового режима грунтов насыпи и конусов, работы дорожного покрытия под колесной на­ грузкой и поведения (грунтов в основании насыпи.

Искусственное сооружение прерывает движение воды по пес­ чаному или щебеночному подстилающему слою дорожного покры­ тая и влаги (Вгрунтах земляного полотна, основание которого име­ ет чаще всего уклон в сторону сооружения (водотока, лога). По­ этому около моста накапливается больше влага, чем на удален­ ных от него подходах. Этот процесс более интенсивен, когда укло­ ны дорожного покрытия с обеих сторон подходов или с одной на­ правлены к мосту, так как увлажнение грунтов земляного полот­ на происходит и за счет притока 'поверхностных вод.

Ори выпуклом профиле на мосту дополнительное ‘увлажнение грунтов земляного полотна возле береговых опор происходит за счет сброса поверхностной воды с проезжей части сооружения.

Грунты земляного полотна около мостов промерзают больше, чем на подходах. Это объясняется затененностью конусов от сол­ нечной радиация пролетными строениями и большей хладоемкостью грунта вместе с бетонной кладкой береговых опор. Поэтому ® весенний период здесь наблюдается запоздалое оттаивание

12

верхних слоев земляного полотна, ,и мерзлые грунты выполняют роль водоупора, препятствуя движению воды по подстилающему слою дорожной одежды. Происходит накопление воды возле моста и переувлажнение грунтов земляного полотна, деформативность которых возрастает.

Увлажнение грунтов земляного полотна происходит также в весенние, летние и осенние паводки, а при пересечении мокрых логов — за счет капиллярного поднятия .воды из переувлажненных грунтов водотока или лога (рис. б), достигающего в насыпях, сло­ женных пылеватыми 'Суглинками, >1—3 м. Увлажнение грунтов земляного полотна в последнем случае будет происходить тем ин­ тенсивнее, чем {меньше уплотнена насыпь и больше глубина эро­ зионного вреза водотока, так как с увеличением .вреза возрастает поверхностное и подземное питание водотока, повышается уровень грунтовой (ВОДЫ.

Рис. б. Схема увлажнения грунтов земляного полотна около моста:

Таким образом, грунты земляного полотна на подходах к «мо­ стам и трубам, как пра{вило, имеют повышенную влажность и, следовательно, деформафивность, особенно при сезонных промер­ заниях и оттаиваниях, когда около мостов {происходит значитель­ ное (по 1Сра(внени.ю с удаленными от моста подходами) морозное разуплотнение грунтов.

Особенности имеет и работа дорожного покрытия возле мостов на подвижную нагрузку. Мост на дороге вследствие жесткости •является своего рода «инородным телом». Въезжая со сравни­ тельно упругой плоскости — дораш — на мост колебательные движения автомобиля претерпевают определенные изменения, ко­ торые передаются на покрытие в месте его сопряжения с проез­ жей частью моста. Анало{ШЧ1Ные колебательные изменения aiBTO-

13

мобиль испытывает к при съезде с .проезжей части моста на доровное покрытие. В результате этого около мостов покрытие на­ капливает .большие остаточные деформации; чем на участках, уда­ ленных от моста. Накопление таких деформаций будет происхо­ дить тем интенсивнее, чем больше ршпица гв жесткости' езды по покрытию и iBO мосту

Определенную роль в формировании деформаций насыпи возле мостов играют конусы земляного полотна. Этот важный элемент {конструкции дорожного сооружении не только аккумулирует к осушает поступающую ив земляного полотна влагу но и испыты­ вает постоянную вибрацию, передающуюся от действия .подвиж­ ной -нагрузки через опоры моста. Поэтому устойчевость конуса зависит прежде всего от свойств грунтов, применяемых для его отсыпки (дренирующая способность, сохранение объема, при про­ мерзании), от угла заложения, иадежиости м в то же время до­ статочной {Проницаемости крепления его откосо®. -Потеря устойчи­ вости конуса неизбежно вызывает деформации земляного полотна.

:С точки зрения обеспечения отвода воды из земляного полот­ на, имеет определенное значение конструкция береговых опор (сплошная, сквозная).

При |В031В.едени1и насыпей 'возле мостов и труб учитывают геоло­ гическое строение .грунтов в основании насыпи. Здесь {грунты зале­ гают в чаше древнего русла в виде пестрых по составу обводнен­ ных напластований, характеризующихся часто повышенной сжи­ маемостью. {Поэтому по сравнению с возвышенными участками дорога грунты в основании насыпей -возле мостов и труб более деформ ативны.

•Анализ деформаций насыпей около мостов позволил выделить следующие их виды:

общие, т. е. проявляющиеся на .всем протяжений дорога де­ формации;

местные деформации в ншосрецствданой близости от моста, деформации конусов земляного полотна.

Деформации связаны со временем и режимом работы земля­ ного полотна на нагрузки. Поэтому в данном случае различают­ ся строительные и эксплуатационные деформации.

Строительный период с учетом выдержки земляного полотна до укладки усове|рщен€твованн!ого покрытияограничивается одним годом (хотя это условие выдерживается далеко не всегда), т. е. сроком, когда деформации стабилизации еще не закончились. Следовательно, деформации земляного полотна и его конусов мо­ гут происходить как в строительный, так и в эксплуатационный период К

1 Для удобства изложения условимся далее общие деформации земляного полотна называть о б щ е й о с а д к о й , а местные деформации (они связаны с эксплуатационными деформациями дорожного покрытия на ограниченной дли­ не) — м е с т н ы м и п р о с а д к а м и .

14

§ 5. Общие осадки земляного полотна

Общие осадки земляного (Полотна складываются из осадок тела и основания насыпи. Они происходят в результате консолидации — постепенного уплотнения грунтов от собственного веса во вре­ мени

В зависимости от свойств грунтов различают две формы кон­ солидации: фильтрационную и пластическую. При фильтрационной

консолидации скорость осадки определяется временам отжатая воды из пор грунта. Такая закономерность свойственна водояасшцек!ны.м грунтам, сравнительно слабо связывающим воду (пы­ леватые лески, супеси, суглинки) При этом консолидация завер­ шается быстрее в грунтах с большей пористостью (большим коэф­ фициентом фильтрации). Например, осадка основания земляного ■полотна, сложенного песками, слабо связывающими воду, закан­ чивается еще в строительный период, тогда как при танкоструктурных глинистых грунтах осадки растягиваются на несколько лет.

При пластической консолидации (грунтов скорость осади® оп­ ределяется процессом вязко-пластических деформаций скелета грунта, иногда называемых ползучестью. В отличие от фильтра­ ционной консолидации этот процесс значительно растянут во времени. Пластическая консолидация свойственна грунтам, обла­ дающим малой водопроницаемостью, т е. глинистым грувта-м, сильно связывающим воду.

Исследования показывают, что в грунтах с преобладанием фильтрационной консолидации не весь период осадка определяет­ ся. скоростью отжатая воды из пор грунта. После окончания про­ цесса фильтрации (первичной консолидации) дальнейшая осадка происходит за счет деформаций скелета грунта, т. е. переходят в стадию пластической деформации (вторичная консолидация) Для грунтов, сравнительно слабо связывающих воду, деформации вто­ ричной консолидации обычно невелики и практически не учиты­ ваются.

В районах дорожного строительства нашей страны наиболее распространены суглинки, супеси и пылеватые пески, для кото­ рых преобладающей формой консолидации является фильтраци­ онная. Исключение составляют районы со слабыми грунтами бо­ лотно-озерного происхождения я (минеральными слабыми грунта­ ми (мокрые солончаки, солонцы и др.)

Следует отметать, что скор,ость осадок консолидации, как и их конечные величины для тела и основания земляного полотна разные. Это объясняется там, что для отсыпки тела полотна при­ меняются сравнительно однородные грунты с ограниченными ха­ рактеристиками дефор|Мати!вности, и плотность их задается в то время как в основаниях залегают чаще неоднородные, а иногда и (более дефармативные грунты.

Осадки тела земляного полотна. Исследования последних лет показывают, что деформации консолидации в насыпях свойствен­ ны не только недоуллотненным, но и весьма шлотньш грунтам.

15

Увеличение плотнеют грунтов с 0,90 до 0,98 от стандартной снижает осадки тела земляного полотна не менее чем в 2,5— 3 раза. Так, по данным Т, Г Яковлевой [33], дли насыпей, сло­ женных из глинистых грунтов, в пределах указанных выше коэф­ фициентов уплотнения осадки снижаются с 2,5—3 до 1% от вы­ соты насыпи. При начальном уплотнении .грунтов до коэффициен­

0,95) осадки могут возрасти в 3—6 и более раз. С увеличением высоты насыпи влияние коэффициента уплотнения несколько уменьшается, причем в тем большей степени, чем более глинистый грунт

Следует отметить, что коэффициент уплотнения насыпей из связных грунтов имеет ограниченное значение (по-видимому, близ­ кое к 1,10), при превышении которого может произойти потеря прочности и разуплотнение грунтов.

Время стабилизации осадок тела насыпи зависит от рода грун­ тов и степени их уплотнения. Согласно экспериментальным дан­ ным ЦНЙЙС 1964 г., по 14 поперечным профилям разных объек­ тов осадки тела насыпей, сложенных из тяжелых суглинков и супесей и уплотненных до К =0,94—1,0, .полностью стабилизирова­ лись на 3—5-й под 'эксплуатации. График хода осадок по одному из объектов приведен на рис. 7, а. Из втого рисунка видно, что спустя год после отсыпки осадки тела насыпи составили в сред­ нем 50% от полной осадки. Следует, однако, отметить, что срав­ нительно широкое колебание коэффициента плотности 0,94—1,0 свидетельствует все же о недостаточном уплотнении грунтов на­ сыпи. При .современных требованиях ж плотности грунтов [28] время стабилизации осадок тела насыпи несколько сократится. Ориентировочно можно принять, что осадка тела земляного по­ лотна в первый год после его возведения составит 50—60 % от полной.

Приведенные данные ЦНИИС о стабилизации осадок в тече­ ние 3—5 лет соответствуют наиболее часто встречающимся грун-

16

тавонвл-ажносшьгм условиям возведения насыпей. Меньшие сроки стабилизации соответствуют песчаным грушам наевшей, боль­ шие — глинистым. Например, по данным В. И. Грищыка [5], провадавшеио наблюдения на девяти опытных насыпях, осадки при супесчаньих грунтах на откосах стабилизировались на 3—4-й год

после возведения насыпи, а ори суглинистых грунтах — на 4—

5-й год.

Осадки основания. Эти осадки определяются сложным процес­

подходах к 'Искусственным сооружениям. .Вследствие большой разнообразности как дафор-матавныьх характеристик, так и усло­ вий залегания грунтов работ до обобщению данных о деформа­ циях оснований чрезвычайно мало.

Одной из .-попыток классификации оснований насыпей по их устойчивости лоовящена работа Ю. М. Васильева [4]. Встречающиеся в дорожном строительстве основания он делит на четыре типа, каждый из которых характеризуется кшффициентом устой­ чивости (отношение естественной плотности inpiyinxa к требуемой плотности).

Имеются и другие попытки обобщения разрозненных данных об осадках оснований насыпей, но они относятся к отдельнымприродным зонам или разновидностям грунтов, таким, как зона вечной мерзлоты (И. И. Викторов, 1957, А. А. Малышев, 1969), Западно-Сибирская тундра (А, И. Калинин, 1957), торфяные бо­

лота, мокрые солончака, илистые и другие слабые грунты (В. Д. Ка­ зарновский, 1972) и т. п.

Такого рода частные обобщения не дают представления о возмож!ньих величинах осадок оснований наевшей для наиболее ча­ сто светречающикоя условий проектирования дорог. Поэтому для установления даже ориентировочной .величины осадки обычно при* бегают к индивидуальным расчетам, основанным на теории фильт­ рационной консолидации грунтов или на ее упрощенной схеме,

В,маете с тем для выяснения порядка обычно встречающихся величин осадок необходимы хотя бы грубые обобщения. Изучение данных, ветречающихся в отечественной и зарубежной литературе, ■позволяет установить следующие ориентировочные величины оса­ док оснований в зависимости от рода и влажностного состояния грунтов, выраженные в процентах от .высоты насыпи:

Эти ориентировочные значения осадок приведены для II до- роокно-Климэтической зоны. Для менее .влажных усдавий (III— IV зоны) осадки оснований будут меньшими. На заторфованиых поймах величины осадок обычно определяются сжимаемостью тор­ фяного слоя и могут достигать 40—60% от его мощности.

Сравнивая приводимые данные с данными табл. 1, можно сде­ лать вывод, что превалирующее значение в формировании общих осадок насыпей имеют осадки оснований. Посравнению с осадка­ ми оснований тело уплотненных насыпей для одинаковых по ме­ ханическому составу грунтов имеет осадки, примерно в 2 раза меньшие. На подходах к мостам через постоянные водотоки л мок­ рые лога вследствие большей влажности грунтов основания эта разность осадок возрастает

Для проектирования узла сопряжения моста с насыпью важно выяснить время стабилизации осадок оснований. Этот вопрос еще (недостаточно исследован, но накопленные теорией фильтрацион­ ной -консолидаций «грунтов данные, а также данные натурных н жшервменталыных наблюдений позволяют сделать ряд практиче­ ских выводов.

Б дорожном строительстве наиболее часто (примерно в 80% случаев) насыпи возводятся на грунтах, сравнительно слабо свя­ зывающих ©оду: суглинках, супесях .и .пылеватых песках. Для этих грунтов преобладающей формой ■консолидации является фильтра­ ционная. Интенашность осадки в данном случае будет опреде­ ляться фильтрационной способностью грунтов,, что можно выра­ зить, например, зависимостью И!Нтеи!Сшиости осадки от коэффи­ циента фильтрации (Грунтов.

18

•Во многих исследованиях показывается, что наибольшая «н- теиоивность осадок оснований в условиях фильтрационной консо­ лидации происходит во время строительного периода и спустя сколько .месяцев.

Из данных наблюдений Ц'ВИЛС (1964 г.) за осадками основа­ ний насыпей .высотой 2,2—2,4 ,м на железной дороге Карасук— Омск -(рис. 7, б) видно, что осадка за .первый год после постройки по реперу № 2 составляет 100%, а по реперам № 3, 5 и 6 колеб­ лется и пределам 87—95%. Близкие к этим данные дают наблю­ дения Ц'НИМС на строившихся железных дорогая 'Рязань — Стеяькино, Ильинская — Дербента я Абакан •— Тайшет.

•С. М. Бельфер [4], исследуя осадки сжжшаетй на моделях, по­ строил график (рис. 7, в). Из пучка кривых этого трафика видно, что а (первый год осадка оснований составила в среднем 82%. Примерно такую же интенсивность осадок дают и натурные на­ блюдения В. И. Заварицкого [9] (рис. 7, г), из которых можно сделать вывод, что осадки оснований в 1-й год составляют 80— 65% от полной осадки.

'Осадки мостовых подходов в штате Кентукки (США) в 1970 г. исследовали Гопнике и Скотт {58]. Тщательно выполненные ими измерения помощью ртутных датчиков показали, что на пя­ ти мостах и путепроводах в 1-й сод после отсыпки насьшей осадки глинистых оснований под ними завершились на 76—ФО0%. Во всех случаях фактическая скорость осадок оказалась выше рас­ четной, определенной по методу Терщага, ;в то время как макси­ мальная ордината осадки примерно совпадала с расчетной.

'По приведенным здесь данным можно сделать вывод, что осад­ ки оснований (для наиболее часто встречающихся в дорожном строительстве грунтов) не менее чем на 70—80% заканчиваются в первый под после постройки .насыпи.

Что .касается полной стабилизации осадок оснований, то из анализа приводившихся выше источников можно заключить, что на 2-й под после постройки доросли осадки обычно составляют 15— 20%, а оставшиеся 5—10% заканчиваются в течение 3—5-то пода эксплуатации.

Оказанное не относится к насыщенным водой слабым глини­ стым основаниям, осадки, которых без принятия -специальных мер (Ом. § 13) могут растянуться на значительно больший срок, ино­ гда исчисляемый десятилетиями.'

§ 6. Местные просадки земляного полотна и влияющие на них факторы

На возникновение местных просадок возле мостов .и над труба­ ми Обратили внимание в последние 40 лет, в период заметного развития автомобильного транспорта.

Местные просадки носят массовый характер. Так, по обследо­ ваниям ряда дорог, произведенным Союздорнии в весенние перио-

ды 1967—1969 гг. [7] в среднем у 20% сооружений просадки от­ сутствовали или были незначительны (I группа неровностей), в 50% случаев просадки требовали ремонта покрытия (II группа — рис. 8, а) и в 30% случаев (III труппа — рис. 8, б) являлись не­ допустимыми.

Рис. 8. Типичные местные просадки насыпи и дорожного покрытия около мостов

Близкие к этим данные приводят Т. Боткине и Р. Дин [87], об­ следовавшие подходы к мостам в штате Кентукки (США): © 35% случаев просадки отсутствовали или были незначительны и и 65% —требовали ремонта.

20