17.8. Конструкции регуляционных сооружений на мостовых переходах

Учитывая высокую стоимость автомобильных дорог и, тем более мостовых переходов, при проектировании всегда следует уделять особое внимание использованию местных дорожно-строительных материалов с целью максимально возможного снижения сметной стоимости строительства этих объектов. Только в случае отсутствия на месте необходимых материалов или недостаточной их прочности применяют более дорогие привозные или искусственно приготовляемые материалы. Наиболее часто имеется возможность использования таких местных материалов как грунт, дерн и камень. Эти материалы имеют определенную сферу своего применения, поэтому при строительстве мостовых переходов материалы привозные используют почти всегда.

Местные грунты, пригодные по своим физико-механическим свойствам для возведения сооружений мостовых переходов (насыпей подходов, струенаправляющих дамб, траверсов, строительных площадок и т.д.), являются одним из основных видов строительных материалов, всегда используемых в значительных объемах при строительстве. В качестве источников снабжения строительства местными грунтами используют следующие:

грунты из выемок автомобильных дорог на спусках с коренных берегов долины на поймы. Эти грунты обычно используют для возведения пойменных насыпей подходов к мостам;

грунты срезок пойменных берегов (искусственных уширений русел) наиболее часто используют для возведения струенаправляющих дамб и участков пойменных насыпей на ближайших подходах к мостам;

грунты искусственных спрямлений русел;

Грунты из близлежащих к месту перехода сосредоточенных грунтовых резервов и карьеров, располагаемых за пределами пойм реки. Эти грунты доставляют к месту строительства, как правило, автовозкой;

грунты из пойменных карьеров, размещаемых вблизи от строящихся мостовых переходов. Такие карьеры не допускается размещать с верховой стороны насыпей подходов;

грунты из русловых карьеров нередко используют при возведении земляных сооружений мостовых переходов средствами гидромеханизации. Этот высокоэффективный способ строительства является привлекательным особенно при больших потребных объемах грунта. Однако этот вид карьеров является опасным для нижележащих инженерных сооружений на реках (мостов, переходов коммуникаций, водозаборов и т.д.), поэтому для русловых карьеров, обычно размещаемых ниже по течению от строящихся мостов, обязательно выполняют прогнозы их ожидаемого вредного воздействия на другие речные сооружения и объекты.

Грунтовые сооружения мостовых переходов требуют обязательного укрепления их откосов от вредного воздействия водного потока в паводки. Для этих целей можно использовать дерн или камень, которые, несмотря на их относительно невысокую стоимость, характеризуются низкой степенью механизации строительных работ.

Дерн используют для укрепления нагорных канав, притрассовых кюветов и резервов, а также не подверженных волнобою, ледовым воздействиям и продольным течениям откосов. Дерн чаще всего используют для укрепления низовых откосов подходов к мостам, пойменных откосов струенаправляющих дамб и низовых откосов траверсов.

Каменные наброски, поддающиеся частичной механизации строительных работ, нередко используют для укрепления откосов насыпей подходов, струенаправляющих дамб, траверсов и подтопляемых строительных площадок и обязательно используют для укрепления их подошв в виде каменных рисберм, рассыпающихся и защищающих откосы в ходе размывов.

В качестве привозных материалов используют: камень (при отсутствии местного), цементобетон, асфальтобетон, сборные железобетонные плиты и другие железобетонные элементы, изготавливаемые на заводах индустриальным способом, геотекстиль, арматуру и т.д. На крупных мостовых переходах и больших объемах строительных работ часто создают собственные асфальтобетонные (АБЗ), цементобетонные (ЦБЗ) и заводы железобетонных конструкций (ЖБК).

Откосы пойменных подходов и струенаправляющих дамб наиболее подвержены опасным воздействиям водного потока, особенно с верховой стороны или со стороны русла: волнобой, продольные течения, ледовые воздействия, особенно опасные для речных откосов струенаправляющих дамб.

Откосы пойменных насыпей наиболее часто укрепляют одерновкой (рис. 17.21, а) (при незначительной волне, ледоходе и продольных течениях), каменной наброской (рис. 17.21, б) и капитальными бетонными или железобетонными плитными конструкциями из монолитного бетона или из сборного железобетона (рис. 17.21, в).

Рис. 17.21. Конструкции укреплений откосов пойменных насыпей: а - одерновкой; б - каменной наброской; в - плитными конструкциями, h - глубина местного размыва; 1 - обсыпка поверхности откоса песчаных насыпей землей слоем 6-10 см; 2 - слой щебня (гравия) толщиной 15 см или мха толщиной 5 см; 3 - бетонный упор; 4 - рисберма

В настоящее время чаще всего используют конструкции укреплений, обеспечивающие высокую степень индустриализации и механизации работ: монолитные или сборные железобетонные плиты, укладываемые по слою щебеночной или гравийной подготовки или каменные наброски. Для предотвращения заиления подготовки, выполняющей роль фильтра, в последнее время ее стали устраивать по слою геотекстиля, обладающего высоким коэффициентом фильтрации, но не пропускающим мелкие частицы грунта насыпи.

Капитальные плитные конструкции укрепления подтопляемых откосов обязательно рассчитывают на местную их устойчивость при работе совместно с грунтовым основанием под воздействием волнобоя по формуле (17.4).

Подошвы насыпей подходов могут подвергаться воздействию потока с верховой стороны насыпи. Один из наиболее распространенных способов укрепления подошв откосов пойменных насыпей - это устройство каменных рисберм (рис. 17.22, а). Потребные объемы рисберм устанавливают, исходя из ожидаемых размывов у подошвы откосов, а минимальную крупность камня - исходя из расчетных скоростей течения вдоль подошвы. Минимальную крупность камня определяют по ориентировочному выражению:

Рис. 17.22. Конструкции укрепления подошв откосов насыпей от размыва: а - каменная рисберма; б - тюфячная конструкция; в - габионный ковер; г - укрепление по типу «погребенного откоса»; h_b - глубина местного размыва; L - длина тюфяка

где

d - минимальная крупность камня рисбермы, м;

V - средняя скорость течения вдоль откоса насыпи, м/с.

Следует учитывать, что каменная рисберма способна эффективно защищать подошвы откосов лишь при ожидаемой глубине местного размыва (считая от поверхности земли) не более 3 м. В противном случае необходимо предусматривать иные конструкции укрепления подошв.

Наиболее подвержены размывам верховые части струенаправляющих дамб и траверсов. Местные размывы у голов струенаправляющих дамб нередко приводят к их разрушению. Подошвы голов струенаправляющих дамб и траверсов можно укреплять каменными рисбермами (рис. 17.22, а), тюфячными бетонными или железобетонными конструкциями (рис. 17.22, б), габионными коврами или конструкциями (рис. 17.22, в) и, наконец, капитальными укреплениями типа «погребенного откоса».

Каменная рисберма (см. рис. 17.22, а) является весьма распространенным и достаточно эффективным способом защиты подошв откосов от размывов. Однако сфера ее применения ограничена весьма небольшими ожидаемыми глубинами размывов у откосов (до 3 м).

Так называемые «гибкие» железобетонные тюфяки (см. рис. 17.22, б) на самом деле вовсе не являются гибкими и их опускание в ходе размывов сопровождается вывалами грунта из-под укрепления, которые увлекают за собой тюфяк. Он разрывается в продельном и поперечном направлениях и даже отрывается от анкерного бруса. Поэтому железобетонные тюфяки целесообразно укладывать вдоль потока отдельными коврами длиною по 10-15 м «в перехлест», но лучше с погружением сразу же в рабочее положение. Значительно лучше работают специально сконструированные гибкие бетонные покрытия, так называемые «шоколадки ЦНИИС» (ВНИИ транспортного строительства), промышленное производство которых уже налажено.

Простыми и по настоящему гибкими являются габионные тюфяки, изготавливаемые из камня, заключенного в металлическую сетку из оцинкованной проволоки (см. рис. 17.22, в). Габионные тюфяки для укрепления подошв откосов подтопляемых насыпей и регуляционных сооружений в настоящее время используют сравнительно редко в связи с большими объемами затрат ручного труда на их изготовление.

Укрепления по типу «погребенного откоса» (см. рис. 17.22, г), устраиваемые на всю глубину ожидаемого местного размыва из сборных железобетонных плит, монолитного бетона или асфальтобетона являются наиболее эффективными. Однако при их устройстве ниже уровня меженных вод возникают определенные технологические трудности, к счастью, преодолимые (укладка железобетонных тюфяков по льду замерзшей реки, укладка по спланированному откосу вымораживанием, раскатка гибких защитных покрытий по спланированному подводному откосу и т.д.).

Потребные объемы защитных каменных рисберм, длины габионных тюфяков и глубины заложения укреплений по типу «погребенных откосов» определяют, исходя из возможных местных размывов у голов струенаправляющих дамб и траверсов.

Глубины общего размыва определяют одним из следующих способов.

По формуле И.А. Ярославцева:

для связных грунтов

для несвязных грунтов

V₀ - скорость набегания потока, для криволинейных струенаправляющих дамб практически равная скорости потока на пойме под мостом, м/с;

a - угол набегания потока на откос;

m₀ - крутизна откоса;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

V_нep - неразмывающая средняя скорость для связных грунтов, в которых развивается местный размыв, м/с;

d - крупность несвязного грунта, принимаемая по наиболее крупным фракциям, содержащимся в размываемом грунте в количестве 15-20 %, м.

При использовании расчетных формул И.А. Ярославцева делается допущение о сохранении той же природы местного размыва и у голов струенаправляющих дамб (которые рассматриваются как относительно мелкие, но широкие препятствия), что и для глубоких, но относительно узких мостовых опор.

Исследования последних лет, выполненные Мостафой Гхоламом, показали, что природа местного размыва у голов струенаправляющих дамб связана не столько с набеганием потока на голову дамбы, сколько с обтеканием ее пойменным потоком с большими скоростями. При этом у голов дамб всегда образуется сосредоточенный перепад уровней, определяющий соответствующее резкое увеличение скоростей потока.

Учитывая это, величину местного размыва у голов струенаправляющих дамб можно определять по теоретико-эмпирической формуле Мостафы Гхолама:

где

- перепад уровней у головы дамбы, м;

b - степень стеснения потока;

V_nб - бытовая скорость течения на пойме, м/с;

h_n - глубина потока на пойме перед струенаправляющей дамбой, м;

d - крупность размываемого несвязного грунта (для связных грунтов вводят эквивалентную крупность по сопротивляемости размыву несвязного грунта), м.

Длину гибкого тюфяка определяют по формуле:

где

h_в - глубина воронки местного размыва, м;

m_T - крутизна откоса размыва, прикрываемая гибким тюфяком.

Обычно углы наклона тюфяков составляют 60-70°. При расчетах можно принимать m_T = 1, откуда l_T = 1,5h_в.

Наиболее эффективно работают гибкие тюфяки из габионных ковров. Они сразу же прикрывают образующиеся размывы.

Достоинством укреплений тюфяками из сочлененных бетонных блоков является высокая степень индустриализации и механизации работ. Однако между бетонными плитами имеются довольно большие зазоры, поэтому последние укладывают либо на достаточно крупные грунты - гальку, гравий, либо по слою геотекстиля. Кроме того, следует иметь в виду, что в ходе размыва грунт, обрушающийся из-под укрепления, увлекает за собой тюфяк, в результате чего в сочленениях и анкерах возникают значительные разрывающие усилия. Поэтому последние рассчитывают не только на собственный вес тюфяка, но и на разрывающие усилия, возникающие за счет сил трения при обрушении грунта из-под тюфяка. При этом усилие в анкере Р_р можно определить по формуле И.А. Ярославцева:

где

G_T - вес тюфяка с учетом сил взвешивания;

f » 0,5 - коэффициент трения тюфяка по грунту.

Так как любые конструкции укреплений могут повреждаться, особенно при проходе высоких паводков, то для обеспечения безаварийной работы всех сооружений мостового перехода требуются постоянные эксплуатационные мероприятия по содержанию и ремонту укреплений.

Для обеспечения выезда на струенаправляющие дамбы машин и механизмов, а также для доставки строительных материалов и конструкций при производстве ремонтно-восстановительных работ ширину струенаправляющих дамб поверху обычно принимают не менее 3,0 м (рис. 17.23).

Для складирования материалов и обеспечения разворота автотранспорта головы дамбы уширяют, а для обеспечения въезда с дороги на дамбу земляное полотно на участке высокой насыпи устраивают с бермами шириною не менее 3,0 м.

Рис 17.23. Конструкция струенаправляющей дамбы: а - план дамбы и подходов к мосту на участке сопряжения пойменной насыпи с проездом на мосту; б - поперечный профиль дамбы; в - поперечный профиль подходов