5.3. Береговые опоры

Береговые опоры (устои) служат для сопряжения моста с подходными насыпями (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Конструкция береговой опоры эксплуатируемого моста

По конструктивным особенностям их подразделяют на необсыпные, у которых конус насыпи не выходит за переднюю грань и фундамент опоры; обсыпные – со смещением конуса насыпи в пролет, стесняющим живое сечение водотока (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Береговая опора массивная монолитная: а – необсыпного типа; б – обсыпного типа; Н – высота подходной насыпи; 1 – шкафная стенка; 2 – передняя стенка; 3 –фундамент; 4 – конус подходной насыпи

Необсыпные береговые опоры находят применение преимущественно в малых мостах при высоте насыпей Н_н6 м, обсыпные – в средних и больших приН_н> 6 м. Обсыпные устои подвергаются значительно большему горизонтальному воздействию от давления грунта насыпи, поэтому по площадке обреза фундамента принимают их размер не менее 0,4Н (рис. 5.11,б) [11].

Ширину береговых опор определяют в зависимости от габарита проезжей части и размещения опорных частей и принимают для необсыпных устоев не менее 330–400 см, а обсыпных – 450–500 см.

В практике мостостроения железнодорожных мостов применяются массивные монолитные (см. рис. 5.10, 5.11), сборно-монолитные береговые опоры (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Береговая опора сборно-монолитная: а – вид вдоль оси; б – вид поперек оси моста; в – поперечное сечение; Н – высота подходной насыпи

В условиях сурового климата наибольшее распространение получили береговые опоры безростверкового типа на столбах и сваях-оболочках (рис. 5.13, 5.14). Конструкция такой опоры состоит из сборного железобетонного шкафного блока индустриального изготовления, монолитной насадки, буронабивных (буроопускных) столбов (рис. 5.13), свай-оболочек (рис. 5.14). Монолитную насадку выполняют высотой 1,2 м.

Рис. 5.13. Береговая опора безростверкового типа на столбах: а – вид вдоль оси; б – вид поперек оси моста; 1 – шкафной блок; 2 – монолитная насадка; 3 – буроопускной столб; 4 – опорная площадка; 5 – конус подходной насыпи
	Рис. 5.14. Береговая опора безростверкового типа на сваях-оболочках: а – вид вдоль оси; б – вид поперек оси моста

Размеры насадки в плане определяют с учетом расположения столбов или оболочек, минимального расстояния между ними, а также геометрических параметров опорных частей. Для железнодорожных мостов применяют двух- и четырехстолбчатые береговые опоры.

5.4. Основные положения расчета опор

Сбор нагрузок и определение расчетных усилий. Опоры мостов работают под воздействием многих нагрузок, которые условно можно подразделить на три группы (табл. 5.1) [12].

Таблица 5.1

Нагрузки, действующие на опоры

Постоянные нагрузки и воздействия	Временные нагрузки от подвижного состава	Прочие нагрузки и воздействия
Собственный вес конструкций , Давление грунта от веса насыпи Воздействие предварительного натяжения Гидростатическое воздействие воды Воздействие усадки и ползучести бетона Воздействие осадки грунта	Вертикальная нагрузка Горизонтальное давление грунта Горизонтальная поперечная нагрузка от ударов подвижного состава Горизонтальная поперечная нагрузка от центробежной силы С Горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги Т	Ветровая нагрузка Ледовая нагрузка Нагрузка от навала судов Температурные климатические воздействия Воздействие морозного пучения грунта Строительные нагрузки Сейсмические нагрузки

Промежуточные опоры рассчитывают на действие нагрузок вдоль и поперек оси моста (рис. 5.15).

Определение нагрузок, действующих на опоры, производят в соответствии со СНиП 2.05.03-84^*[12]. Нормативное значение собственного веса частей опор определяют по предварительно назначенным размерам.

Расчет опор осуществляют, как правило, на основное и дополнительное сочетания нагрузок, рассматривая их отдельно вдоль и поперек оси моста. Определяют расчетные внутренние усилия N и M в наиболее опасных сечениях: по обрезу (сечение 1-1) и подошве (сечение 2-2) фундамента (рис. 5.15). При определении суммарной нормальной силы в расчетном сечении учитывают все силы, действующие выше расчетного сечения. Суммарный момент определяют умножением силы на плечо с последующим сложением полученных значений [11]. При расчете на основное сочетание постоянных и временных нагрузок учитывают опорное давление от веса пролетных строений и временной нагрузки, стоящей на обоих пролетах или на одном большем (рис. 5.15). При расчете на дополнительные сочетания учитывают, кроме постоянных и временной нагрузки (по первой или второй схемам загружения), тормозную силу Т, суммарную ветровую нагрузку , давление льда, а также нагрузку от навала судов(рис. 5.15).

Рис. 5.15. Расчетная схема загружения промежуточной опоры: а – вдоль оси; б –поперек оси моста; 1, 2 – временные вертикальные эквивалентные нагрузки интенсивностью по первой и второй схемам загружения;3, 4 –линии влияния вертикальных сил по первой и второй схемам загружения; ПР – отметка подошвы рельса; – расчетная длина пролетного строения;– длина загружения линии влияния;– площадь линии влияния

Далее определяют эксцентриситет , его величину сравнивают с предельными значениями, приведенными в [12]. Наибольший относительный эксцентриситетдля промежуточных опор железнодорожных мостов при учете только постоянных нагрузок не должен превышать 0,1, а постоянных и временных в наиболее невыгодном сочетании – 1,0. Величина– радиус инерции ядра сечения – равна, гдемомент сопротивления, а– площадь подошвы фундамента [11].

Расчеты промежуточной опоры производят по прочности, устойчивости и трещиностойкости при выполнении условий [11]:

 по прочности

; (5.1)

 по устойчивости

; (5.2)

 по трещиностойкости(на раскрытие трещин) по формуле (4.8),

где – расчетное сопротивление бетона сжатию;– площадь сечения сжатой зоны бетона, определяемая из условия, что силапроходит через центр тяжести [11,12];1,0 – коэффициент продольного изгиба, определяемый по [12].

Кроме указанных выше, выполняют проверки [11,12]:

 на опрокидывание

; (5.3)

 по несущей способности основания под подошвой фундамента[11, 12]:

– мелкого заложения

; (5.4)

– глубокого заложения[20,21]

, (5.5)

где – эксцентриситет нормальной силы относительно центра тяжести сечения;– расстояние от центра тяжести до наиболее сжатой грани сечения;=1,2 – коэффициент надежности;и– соответственно среднее и максимальное давление фундамента на основание;– расчетное сопротивление основания осевому сжатию;= 1,4 – коэффициент надежности;=1,01,2 – коэффициент условий работы, зависящий от вида грунта и учитываемого сочетания нагрузок;– расчетная вертикальная нагрузка на один элемент фундамента глубокого заложения (сваю, столб, оболочку);– собственный вес элемента фундамента (сваи, столба, оболочки);– допускаемая расчетная нагрузка по грунту на сваю (столб, оболочку), определяемая по [20, 21].

Расчет береговых опор производят с учетом сил, указанных на рис. 5.16. Определение нагрузок, действующих на опору, производят в соответствии с [11, 12]. Сбор нагрузок осуществляют только вдоль оси береговой опоры (рис. 5.16). Расчет опор выполняют на основное и дополнительное сочетания нагрузок. При расчете береговой опоры на основное сочетание рассматривают две схемы загружения временной вертикальной нагрузкой: по первой ее располагают на пролете, устое и призме обрушения с длиной загружения (), по второй – только на призме обрушения с длиной загружения(рис. 5.16). В дополнительное сочетание нагрузок, кроме основного, включают тормозную силуТ [11].

Рис. 5.16. Расчетная схема загружения береговой опоры: 1, 2 – загружение опоры временной вертикальной нагрузкой по первой и второй схемам; 3, 4 – эпюры горизонтального давления грунта от временной нагрузки и собственного веса; 5 – эпюра отпора грунта засыпки; 6 – линии влияния вертикальных сил; ЦТ – центр тяжести; А – цент опрокидывания опоры; – расчетная длина пролета;– длина загружения линии влияния;– площадь линии влияния;– высота засыпки грунта;– плечи сил

Работу береговой опоры проверяют также на стадии, когда насыпь еще не отсыпана, учитывая только вертикальные постоянные нагрузки [11]. Расчет береговых опор производят аналогично промежуточным по формулам (5.1)–(5.5).

Особенности расчета опор для суровых климатических условий. В условиях сурового климата применяют опоры преимущественно на фундаментах глубокого заложения или безростверкового типа на столбах или сваях-оболочках.

Выбор конструкции опор производят с учетом анализа природно-клима­тических, геологических и гидрологических условий, а также способов производства работ, результатов технико-экономического сравнения вариантов. При выборе оснований и назначении глубины заложения фундаментов опор учитывают расположение такого подстилающего слоя грунта, который обеспечивал бы восприятие и передачу давления от опоры на нижележащие слои грунта. При этом подстилающим грунтом могут служить малосжимаемые или скальные породы, а также вечномерзлые грунты при первом принципе их использования в качестве основания.

Если обосновываются безростверковые опоры, то в первую очередь рассматривают типовые конструкции столбов (инв. №1062, ЛГТМ). Допускается их индивидуальное проектирование с учетом местных условий и возможностей строительных подразделений. При наличии вечномерзлых грунтов оснований отдают предпочтение опорам безростверкового типа из буроопускных столбов или оболочек, которые располагают вертикально, обеспечивая необходимую жесткость в горизонтальном направлении [21].

Глубину заложения столбов или оболочек определяют с учетом полного использования расчетных сопротивлений грунта на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также прочностных характеристик конструкций. Глубину заложения назначают в соответствии с принятым принципом использования вечномерзлых грунтов в качестве основания опор и проверяют расчетом по устойчивости [7]. Глубину заложения столба или оболочки при использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципуIрекомендуют определять по выражению [21]:

, (5.6)

где – глубина расположения вечномерзлого грунта, считая от расчетной поверхности грунта;– толщина слоя пластичномерзлого грунта;= 1,0;– диаметр столба или оболочки.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу Iрасчеты производят для твердомерзлых грунтов по несущей способности; для пластичномерзлых, сильномерзлых грунтов и подземных льдов по несущей способности и деформациям [7].

Расчет оснований безростверковых опор при использовании вечномерзлых грунтов по принципу Iпо несущей способности (первой группе предельных состояний) производят по условию [7]:

, (5.7)

где – расчетная нагрузка на основание;– несущая способность основания, определяемая по [7].

Условие прочности заделки столбов или оболочек в твердомерзлом грунте [21]:

, (5.8)

где – изгибающий момент и поперечная сила в рассматриваемом сечении столба или оболочки на глубине;– диаметр и глубина заложения столба (оболочки) в твердомерзлом грунте;– расчетное сопротивление твердомерзлого грунта под подошвой столба или оболочки.

Расчет оснований по деформациям (второй группе предельных состояний) производят с учетом выполнения условия [7]:

, (5.9)

где – деформация (осадка) пластично-мерзлого основания под нагрузкой;– предельно допустимая деформация основания под опорой за расчетный срок эксплуатации.

Осадки оснований из сильнольдистых грунтов и подземных льдов определяют с учетом деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры, времени и развития пластических деформаций льда по СНиП 2.02.04-88 [7].

Устойчивость опор и их фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов проверяют по условию [7]:

, (5.10)

где – расчетная удельная касательная сила пучения;– площадь бокового смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта;– расчетная нагрузка на фундамент;– расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, определяемое по [7].

Устойчивость фундамента (мелкого заложения) на действие нормальных сил морозного пучения проверяют по условию [7]:

Рис. 5.17. Термоизоляционное покрытие в зоне опоры моста: РУВ – расчетный уровень воды; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; 1 – теплоизоляционный настил; 2 – каменная обсыпка; 3 – контурный блок

, (5.11)

где – удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента;– площадь подошвы фундамента.

Для обеспечения температурного режима вечномерзлых грунтов основанийи предотвращения деформаций опор предусматривают устройство теплоизоляционной подсыпки, толщину которой определяют теплотехническим расчетом по [7, 22] (рис. 5.17).

П

Рис. 5.18. Трубчатые охлаждающие установки автоматического действия: а – керосиновые системы Гапеева; б – коаксиальные системы Макарова; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; d – диаметр трубы

ри проектировании мостов по принципуIиспользования вечномерзлых оснований рекомендуют предусматривать различные способы охлаждения грунтов в течение эксплуатации, к которым относят трубчатые охлаждающие установки автоматического действия, термоопоры ЦНИИС, каменные наброски конусов подходных насыпей, а также специальные конструктивные мероприятия безростверковых опор.

Применяются охлаждающие установки, которые заполняют теплоносителем – керосином, системы Гапеева или коаксиальные системы Макарова (рис. 5.18).

Охлаждающие установки диаметром труб 100–190 мм заглубляют в грунт на величину не менее 5 м. При этом, как правило, площадь поверхности их надземной части (от поверхности снежного покрова) составляет около 50% площади подземной части, а объем теплоносителя – 60%. Охлаждающие установки располагают группами в зоне опор с шагом не более 3 м в количестве от 6 до 10 у береговых опор и не менее 4 – у промежуточных опор. Для столбчатых опор рекомендуют применять по одной установке на каждый столб.

Т

Рис. 5.19. Термоопоры ЦНИИС: а – береговая опора; б – промежуточная опора; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; 1 – монолитная насадка; 2 – пустотелая железобетонная оболочка

ермоопоры ЦНИИС представляют собой безростверковые конструкции с пустотелыми стойками (оболочками), охлаждающий эффект которых достигается за счет естественной конвенции воздуха внутри полости в зимний период (рис. 5.19). Как правило, их применяют для малых и средних мостов в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха минус 6^оС и ниже и при начальных температурах вечномерзлых грунтов минус 1,5^оС и ниже. Чаще всего термоопоры применяют из сборных железобетонных оболочек диаметром 1,6 м с толщиной стенки 20–25 см из бетона с маркой по водонепроницаемостиW8. После установки оболочек зазор между их боковыми поверхностями и скважины заделывают цементно-песчаным раствором или сухим песком ниже глубины сезонного оттаивания, а в зоне деятельного слоя – местным грунтом.

К

Рис. 5.20. Каменная наброска конуса подходной насыпи: УВМГ – уровень вечномерзлого грунта; l_з – длина наброски за устоем; 1 – береговая опора; 2 – каменная наброска

аменные наброски для сохранения естественного вечномерзлого состояния оснований рекомендуют применять при высоте подходных насыпей не более 7 м, среднегодовой температуре наружного воздуха минус 5^оС и выше, начальной температуре вечномерзлых грунтов минус 1^оС и выше (рис. 5.20).

Увеличения охлаждающего эф­фекта безростверковых опор мостов достигают с помощью утройства под монолитной насадкой по периметру специальных ограждающих элементов, создавая под насадкой воздушный зазор.

На водотоках с наледеобразованием, как правило, проектируют малые и средние мосты. На водотоках с природными наледями рекомендуют применять свайно-эстакадные мосты. Используют следующие принципы проектирования мостов: свободный пропуск наледи; безналедный пропуск водотока; задержание наледи выше моста. Выбор принципа проектирования осуществляют в зависимости от размера и характера развития наледи, мерзлотно-гидрогеологических условий, рельефа местности, технико-экономического обоснования.

При свободном пропуске наледи отверстие моста определяют с учетом пропуска паводковых вод и наледеобразующей воды по поверхности наледного льда [3]. Рекомендуют выполнять условие, при котором отверстие моста, где– мощность наледи, а длина пролетных строенийм. Высоту подмостового габарита проектируют с учетом обеспечения свободного пропуска в течение всего зимнего периода наледеобразующих вод и весеннего паводка по поверхности наледи [3]:

, (5.12)

где – высота подмостового габарита от средней отметки дна лога под мостом до низа конструкции;– наибольшая расчетная мощность наледи;– высота пропуска по наледи расчетного расхода весенних вод;– свободное пространство под мостом, определяемое по [12].

Безналедный пропуск водотокаобеспечивают с использованием концентрации, спрямления и утепления русла в зоне моста и на подходах. Принцип безналедного пропуска водотоков применяют в районах со значительным снежным покровом и среднемесячной температурой наиболее холодного месяца минус 25^оС и выше. Для обеспечения безналедного пропуска водотока применяют следующие противоналедные мероприятия и устройства: утепление русла под мостом для предотвращения глубокого промерзания и возникновения мерзлотной перемычки; специальные водоотводные сборные железобетонные лотки с утеплением пенопластом или другими теплоизоляционными материалами (рис. 5.21, 5.22) [3, 4].

Рис. 5.21. Утепление русла устройством железобетонного лотка: а – план расположения лотка в зоне моста; б – конструкция утепленного лотка; 1 – пролетное строение; 2 – сборный железобетонный утепленный лоток; 3 – водозаборник; 4 – водоприемник; 5 – снегозадерживающие щиты; 7 – доски; 8 – пенопласт; 9 – грунт; 10 – снег; 11 – гравий с песком

Рис. 5.22. Утепление русла под мостом: а – утепление снегом; б – утепление теплоизолирующим покрытием; РУВ – расчетный уровень воды; 1 – промежуточная опора; 2 – снег; 3 – щиты; 4 – теплоизолирующее покрытие (полиэтиленовая пленка, хворост и др.)

Задержание наледей выше мостов применяют, как правило, с малыми расходами наледеобразующей воды, при широких и пологих логах, в районах с малым снежным покровом, а также при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца минус 25^оС и ниже. В качестве противоналедных устройств сооружают: противоналедные валы, и противоналедные заборы (рис. 5.23); водонепроницаемые экраны (рис. 5.24).

Рис. 5.24. Водонепроницаемый экран: ИССО – искусственное сооружение; h – высота противоналедного вала; 1 – экран с теплоизолирующей пленкой; 2 – противоналедный вал

Противоналедные мероприятия подразделяют на две группы: пассивные (защитные), выполняемые периодически во время образования наледей, и активные (предупредительные) постоянного типа, обеспечивающие задержание наледи с верховой стороны или пропуск наледной воды в низовую сторону. К первой группе относят такие мероприятия, как предотвращение «взрывов» наледных бугров путем их прокола, оттаивания наледей; устройство задерживающих валов из снега, льда, грунта и временных заграждений. К мероприятиям второй группы относят углубление и спрямление русла водотока, отвод воды, образующей наледь, устройство постоянных удерживающих противоналедных сооружений [11].