3.2.3. Проектирование поперечных профилей земляного полотна на подходах к мостам
При проектировании поперечных профилей подходных насыпей следует учитывать условия, в которых они будут эксплуатироваться. Если на подходе к речной долине и на пойменных участках при уровне меженных вод насыпи находятся в таких же условиях, как обычные (сухие) дорожные насыпи, то при высоких уровнях воды эти условия для пойменных насыпей становятся существенно иными. Вследствие насыщения пойменных насыпей водой уменьшается трение и сцепление грунта, что приводит к снижению их прочности и устойчивости. При повышении уровня воды в реке во время паводка гидродинамическое давление воды на насыпь возрастает, вода через откосы земляного полотна проникает в тело насыпи – происходит явление инфильтрации. Уровень воды в теле насыпи располагается по кривой депрессии, которая имеет вогнутую форму (рис. 20, а). Объясняется это тем, что во время подъема воды в реке уровень воды в теле насыпи следует за уровнем воды на откосах с некоторым запозданием, которое зависит от скорости подъема воды в реке и от фильтрационных свойств грунта: чем больше коэффициент фильтрации грунта, тем это запоздание меньше. Когда уровень воды в реке достигает уровня высоких вод (УВВ), который обычно остается неизменным в течение некоторого периода времени, уровень воды в теле насыпи, продолжая подниматься, в конечном итоге становится близким к УВВ.
При понижении уровня воды в реке и снижении его на откосах насыпи гидродинамическое давление воды на насыпь уменьшается, вода вытекает из нее. Уровень воды в теле насыпи располагается по кривой депрессии, которая в данном случае имеет выпуклую форму (рис. 20, б).
Рис. 20. Поперечные профили пойменной насыпи:1 – кривая депрессии;
2 – повышающийся уровень воды; 3 – понижающийся уровень воды
При насыщении (инфильтрации) насыпи водой появляются силы гидродинамического давления, которые в период подъема уровня воды в реке направлены внутрь насыпи (параллельно кривой депрессии) и тем самым увеличивают ее устойчивость. Во время спада уровня вода вытекает из тела насыпи и гидродинамическое давление, направленное от оси насыпи в сторону откосов, снижает устойчивость насыпи, поэтому период спада уровня воды обычно является более опасным, чем период подъема. Опыт эксплуатации пойменных насыпей свидетельствует, что обрушение откосов чаще всего происходит во время спада уровня воды в реке. В этот период может происходить и непосредственное вымывание частиц грунта из насыпи (суффозия грунта), что также неблагоприятно отражается на устойчивости подходной пойменной насыпи.
Во время паводка подпор воды с верховой стороны мостового перехода и пониженный уровень с низовой обуславливают разные отметки уровней на верховом и низовом откосах подходной насыпи, поэтому в некоторых случаях может происходить сквозная фильтрация воды через пойменную насыпь. Сквозная фильтрация создает одностороннее гидродинамическое давление, направленное в сторону низового откоса. Если сквозная фильтрация не сопровождается суффозией грунта, то она особой опасности не представляет.
При устройстве земляного полотна пойменных насыпей следует применять грунты после лабораторного обследования, по результатам которого окончательно решается вопрос о пригодности грунта для возведения насыпи. Затопляемую часть насыпи следует отсыпать из дренирующих грунтов. Наиболее пригодны крупнозернистые грунты: они достаточно прочны, устойчивы и при насыщении водой почти не снижают сил внутреннего трения. Кроме этого, такие грунты обладают высоким коэффициентом фильтрации. Непригодны для отсыпки затопляемых насыпей грунты пылеватые, мелкопесчаные, растительные и засоленные, мергель, мел, солонцы. Эти грунты отличаются большой влагоемкостью: поглощая воду, они набухают и разжижаются, при этом уменьшаются силы сцепления между частицами, силы внутреннего трения и несущая способность грунтов. В насыпях, отсыпанных из таких грунтов, легко возникают сплывы и оползни.
Верхнюю (сухую) часть насыпи можно сооружать как из дренирующих, так и из недренирующих грунтов.
Глину и суглинок применяют для отсыпки подходной насыпи, но при условии, если грунт содержит сравнительно небольшой процент пылеватых частиц. Если насыпь, отсыпанная из этих грунтов, хорошо уплотнена, то инфильтрация воды в нее незначительная.
Подходную пойменную насыпь необходимо возводить на надежном основании, которое гарантировало бы ее от просадок. Если основание насыпи имеет небольшую несущую способность и поддается размягчению при насыщении водой, то может произойти ее просадка. Это бывает при наличии в основании насыпи ила или торфа. Ил во влажном состоянии не обладает силами сцепления и внутреннего трения и поэтому легко выдавливается из-под насыпи. По этой причине, перед отсыпкой насыпи, его следует удалить. Торф отличается значительной влагоемкостью и малой несущей способностью; поэтому он также должен быть удален из-под насыпи.
Поперечные профили земляного полотна на характерных участках подходов к мостам бывают следующих типов:
1. Поперечный профиль на участке спуска с берега речной долины на пойму. Этот участок не попадает в зону подтопления в период паводка. Тип поперечного сечения профиля земляного полотна, который будет принят для участка сопряжения берега с поймой реки, зависит от отметок существующего рельефа местности и проектной линии продольного профиля мостового перехода в границах рассматриваемого участка. Поэтому спуск с берега речной долины может быть запроектирован как в насыпи, так и в виде выемки. Характерные типы поперечных профилей земляного полотна в насыпях и в выемках представлены на рис. 18 и рис. 19.
Если участок спуска с берега речной долины на пойму будет запроектирован в виде выемки, то этот участок во время метели будет быстро заноситься снегом. Во избежание этого рекомендуется при Н < 1,0 м проектировать раскрытую выемку или выемку, разделанную под насыпь (рис. 19, а), а при глубине 1,0 м < H < 5,0 м – выемку с пологими откосами – от 1:4 до 1:6 (рис. 19, б). При глубине выемки Н > 5,0 м крутизну откосов принимают равной 1:1,5 (табл. 6).
В некоторых случаях выемка может прорезать водоносные пласты. В результате слива в выемку поверхностных и грунтовых вод происходит вынос из откоса частиц грунта, что приводит к его деформации. Грунтовые воды неблагоприятно влияют на устойчивость откосов выемки, поскольку при насыщении их и дна выемки водой уменьшаются силы сцепления между частицами грунта, а также силы внутреннего трения, что способствует образованию оползней и ослаблению несущей способности основной площадки выемки.
Для обеспечения устойчивости откосов выемки устраивают дренажи, обеспечивающие перехват и отвод грунтовых вод от выемки. Дренажи располагают вдоль выемки на таком расстоянии от нее, чтобы в результате сбора и отвода воды перед выемкой образовался достаточно мощный осушенный грунтовый массив, который мог бы служить упором, обеспечивающим устойчивость ее откоса [1].
При пологом береге речной долины на участке спуска дороги на пойму реки земляное полотно проектируют в насыпи. В этом случае избегают пересечения водоносных пластов, залегающих на некоторой глубине от поверхности.
2. Поперечный профиль низкой пойменной насыпи на участке между спуском с берега речной долины на пойму и подъемом к мосту проектируют с минимально необходимым возвышением бровки земляного полотна, отметка которой определяется по формуле (21). Поскольку откосы насыпи на данном участке подтапливаются почти на всю высоту (из-за набегания волны), их проектируют с крутизной не более 1:2. В верхней части откоса (до высоты 6-8 м) принимают 1:2, а затем через каждые 6-8 м крутизну откосов уменьшают на 0,25. В тех случаях, когда насыпь сооружают из камня слабовыветривающихся пород, крутизну верхней части откоса до высоты 6-8 м принимают 1:1,5 с уположением на 0,25 через каждые 6-8 м. В местах пересечения водохранилищ, где насыпь на отдельных участках может быть очень высокой и где откосы находятся в постоянном подтоплении, их крутизну назначают более пологой – 1:2,5 и менее.
Поперечный профиль низкой пойменной насыпи показан на рис. 21, а.
3. При проектировании поперечного профиля высокой пойменной насыпи на участке подъема к мосту через судоходную реку ширина насыпей поверху на длине не менее 10 м от начала и конца моста должна превышать расстояние между перилами моста на 0,5 м в каждую сторону. При необходимости следует производить соответствующее уширение земляного полотна; переход от уширенного земляного полотна к нормативному надлежит выполнять на длине 15-25 м [8].
Поскольку на рассматриваемом участке насыпь имеет большую высоту (иногда до нескольких десятков метров), ее надводную часть проектируют так же, как и обычную (сухую) дорожную насыпь (рис. 18, в) с крутизной верхней части откоса 1:1,5 до высоты 6-8 м, а затем через каждые 6-8 м крутизну откоса уменьшают на 0,25. Откосы насыпи в пределах подтопления проектируют так же, как и в случае более низкой подходной насыпи (рис. 21, а)
Надводная и подтапливаемая части откосов высоких насыпей сопрягаются с помощью берм, которые устраивают шириной не менее 4 м с уклоном 30 0/00 в сторону земляного полотна.
Бермы имеют разное назначение. Они образуют упоры, которые поддерживают откосы насыпи и этим увеличивают ее устойчивость; пригружают основание насыпи по ее краям, препятствуя выдавливанию слабого грунта из-под тяжелой средней части сооружения; образуют близко к уровню высоких вод незатопляемые площадки, которые облегчают наблюдение за состоянием подтопленной части откосов, упрощают их ремонт, обеспечивают возможность подвоза и складирования материалов для укрепления откосов.
Ширина берм и пологость откосов насыпи ниже берм должны быть тем больше, чем больше глубина воды у насыпи, чем менее устойчив грунт, из которого она отсыпана, и чем слабее грунт ее основания. Возвышение бермы над уровнем высоких вод в большинстве случаев назначают с таким расчетом, чтобы предотвратить возможность накатывания волны на берму. Тогда откос насыпи над бермой укрепляют как сухой откос.
Бермы с верховой и низовой сторон насыпи, когда разность уровней воды по обе стороны насыпи составляет значительную величину, обычно проектируют на разных уровнях. Отметку бровки бермы с верховой стороны устанавливают так же, как отметку бровки земляного полотна низкой подходной насыпи по формуле (21), причем технический запас принимают равным 0,25 м. Отметка бровки бермы с низовой стороны может быть понижена на величину перепада уровней воды по обе стороны насыпи. В некоторых случаях бермы устраивают затопляемыми при высоких уровнях воды, что обеспечивает уменьшение высоты наката волн на откос насыпи.
Поперечный профиль высокой пойменной насыпи показан на рис. 21, б.
Важную роль играет участок сопряжения подходной насыпи с устоем моста. Отсыпку конуса моста, а также насыпи за устоем моста следует производить дренирующим грунтом, имеющим коэффициент фильтрации не менее 2 м/сут., на длину поверху – не менее высоты насыпи за устоем плюс 2 м и понизу (в уровне естественной поверхности земли) – не менее 2 м. при этом в насыпи из пучинистых грунтов необходимо предусматривать специальное сопряжение с дренирующими грунтами за устоем. На одном конце подошву слоя дренирующего грунта (на сопряжении в месте примыкания к отсыпке) следует располагать в уровне границы промерзания – оттаивания этого грунта. На другом конце сопряжения эту подошву надо устраивать в уровне низа защитного слоя земляного полотна. Длину сопряжения определяют расчетом в зависимости от допустимой величины пучения и принимают не менее 25 м.
4. Поперечный профиль пойменной насыпи в местах пересечения протоков, староречий и озер.
На таких участках мостового перехода насыпь остается под непосредственным воздействием воды и после спада паводка, вследствие чего находится в условиях, менее благоприятных для ее устойчивости. На откосах насыпи устраивают бермы шириной не менее 4 м на уровне берегов пересекаемого протока, староречья или озера. Крутизну откосов земляного полотна ниже бермы назначают, как правило, меньше, чем над бермой.
На участках пересечения протоков иногда возводят призмы из камня. В зависимости от местных условий крутизну откоса каменной призмы назначают от 1:1 до 1:1,5.
Поперечный профиль насыпи в местах пересечения протоков, староречий и озер показан на рис. 21, в.
Рис. 21. Поперечные профили пойменных насыпей: а – низкой; б – высокой; в – в местах пересечения протоков, староречий и озер
Подходные пойменные насыпи подвергаются воздействию ветровых волн и движущихся льдин, а на некоторых участках также размывающему действию текущей вдоль откосов воды, поэтому необходимо специальное укрепление откосов и подошв насыпей. При недостаточном укреплении откосов возникают местные деформации, которые приводят к оползанию вышерасположенного грунта, в результате происходит разрушение насыпи.
Откосы укрепляют как с верховой, так и с низовой стороны насыпи, при этом применяют различные типы укреплений на разных участках в зависимости от тех условий, в которых эти участки находятся. Участки подходных насыпей, прилегающие к урезу воды при РУВВ, где глубины потока сравнительно небольшие и где подтопление земляного полотна наблюдается в редкие годы, требуют менее мощного типа укрепления, чем участки, находящиеся в пределах центральной части поймы, где глубины потока имеют большие значения. Если насыпь пересекает протоки, староречья и озера, то в местах их пересечения следует назначать такой тип укрепления откосов, который является пригодным для условий постоянного, а не периодического подтопления водой [1].
По высоте откоса также применяют различные типы укреплений. Откосы подходных насыпей по высоте можно разбить на три зоны.
I зона (сухой откос насыпи) располагается выше уровня с отметкой Ннас. К этой зоне относятся находящиеся выше берм откосы высоких подходных насыпей на участке подъема к мосту (рис. 22, а). В I зоне откосы не подвергаются разрушающему действию речного потока.
II зона располагается ниже уровня с отметкой Ннас. К этой зоне относятся откосы низких пойменных насыпей и откосы высоких насыпей на участке подъема к мосту, находящиеся ниже берм (рис. 22, а). В местах пересечения пойменной насыпью протоков, староречий и озер II зона располагается между уровнем с отметкой Ннас и уровнем меженных вод УМВ (рис. 22, б). В этой зоне откосы должны быть защищены от воздействия волн, льда и течения.
III зона находится ниже уровня меженных вод УМВ. К этой зоне относят нижние части откосов насыпей на участках пересечения протоков, староречий и озер (рис. 22, б). В III зоне откосы также требуют защиты в условиях постоянного подтопления водой.
Таким образом II зона распространяется на всю длину пойменной насыпи, а I и III зоны встречаются лишь на сравнительно коротких ее участках.
Рис. 22. Зоны откосов пойменных насыпей
При назначении типов укреплений на различных участках подходных насыпей необходимо учитывать производственные соображения индустриализации и механизации укрепительных работ.
В тяжелых условиях оказываются часто откосы насыпей на мостовых переходах через водохранилища. Особенно сильное воздействие на откосы таких насыпей оказывают ветровые волны, которые на водохранилищах достигают значительных размеров и возникают гораздо чаще, чем на периодически затопляемых поймах. Воздействие льда на откосы насыпей, пересекающих водохранилища, проявляются главным образом в виде сжимающего усилия, образующегося вследствие термического расширения льда. Кроме того, лед может примерзать к покрытию откоса и при изменении уровня воды в водохранилище отрывать отдельные элементы покрытия от откоса.
При большой длине подходных насыпей стоимость укреплений откосов значительная. Высокая стоимость укреплений обусловлена главным образом необходимостью защиты откосов от воздействия волн. Для замены дорогостоящих конструкций более легкими и дешевыми типами укреплений иногда применяют различные способы снижения высоты волн. Эффективным способом снижения высоты волн является посадка кустарника и деревьев у откосов пойменных насыпей. Этот способ применяется на мостовых переходах через реки с периодически затопляемыми поймами, на которых возможно развитие древесной растительности.
Для предварительного назначения типов укреплений откосов подходный насыпей рекомендуется пользоваться приложением 3, которое составлено на основании обобщения опыта эксплуатации различных укреплений [1].
В последнее время для защиты откосов земляного полотна от эрозии и склоновых процессов успешно применяют метод, основой которого являются биоинженерные технологии, предусматривающие использование озеленения, а также габионных конструкций.
Биоинженерные технологии обеспечивают создание почвенно-растительного покрова, обладающего высокими противоэрозионными качествами. Этот покров характеризуется мощной корневой системой, морозоустойчивостью, а также противостоит болезням, сельскохозяйственным вредителям и химическому загрязнению.
Почвообразующий метод эффективного озеленения позволяет создавать почвенно-растительный слой покрова в самых неблагоприятных условиях. Метод не требует укладки привозного растительного грунта. Все компоненты имеют природное происхождение и вносятся в грунт гидропосевом. На откосах дорог озеленение производится в комплексе с укладкой биоматов и биотекстилей, представляющих собой рулонные покрытия, созданные из растительного волокна, прежде всего кокосового и соломенного. Эти покрытия обладают противоэрозионными свойствами, экологичны, поддерживают рост растений, пропускают воздух и воду, повышают влагоемкость почв.
Надежную защиту от эрозии и склоновых процессов обеспечивают современные габионные конструкции. Их устраивают на участках дорог, где использование биоинженерных методов защиты малоэффективно из-за высокой интенсивности процессов разрушения. Габионы изготовляют из стальной оцинкованной сетки с шестиугольными ячейками (100х120, 80х100 или 60х80 мм). Эта сетка прочна, устойчива против коррозии и истирания, долговечна, не расплетается при механическом повреждении отдельных проволочек. Применяют коробчатые габионы размером 2х1х1 м, 1,5х1х1 м и габионы Джамбо размером 3х2х0,5 м или 2х1х0,5 м.
Современные габионные конструкции эстетичны, хорошо вписываются в ландшафт и поддерживают развитие растительности. Поэтому их широко применяют в транспортном и гидротехническом строительстве, в ландшафтной архитектуре, а также для обеспечения экологической защиты территорий [6].
Габионные конструкции используют для создания берегоукреплений, защиты откосов пойменных насыпей, регуляционных сооружений, а также мостовых опор. Для этого обычно применяют плоскую разновидность коробчатых габионов – матрасы Рено, имеющие толщину 0,17; 0,23 и 0,30 м. Соответствующие работы в значительных объемах выполнены на водных объектах, пересекаемых Московской кольцевой автомобильной дороги.
Пример. Проектирование поперечных профилей земляного полотна на мостовом переходе через реку Сок.
Исходные данные. Продольный профиль мостового перехода (см. рис. 15); мостовой переход является участком автомобильной дороги II технической категории; грунт земляного полотна – супесь.
В соответствии с технической категорией дороги ширина земляного полотна принимается равной 15 м; ширина проезжей части – 7,5 м (табл. 7).
На продольном профиле (рис. 15) характерными участками земляного полотна подходных насыпей являются: участок спуска с берега речной долины на пойму; участок между спуском с берега речной долины на пойму и подъемом к мосту и участок подъема к мосту.
Проектная линия продольного профиля мостового перехода на подходах к мосту проходит в насыпи с рабочими отметками от 0,5 м до 10,77 м, длина левобережного подхода (от начала продольного профиля до начала моста) составляет 547,17 м, правобережного – 2248,17 м.
Назначаем типы поперечных профилей земляного полотна левобережного подхода.
На участке спуска с берега речной долины на пойму (от ПК 10+00 до ПК 13+00) земляное полотно имеет рабочие отметки от 0,50 до 6,90 м. С ПК 10+00 до ПК 11+50 земляное полотно запроектировано в насыпи высотой до 2 м и с крутизной откосов 1:4 (рис. 23, а). От ПК 11+50 до ПК 13+00, где высота насыпи достигает 6,9 м, крутизна откосов земляного полотна увеличивается (табл. 6) до 1:1,5 (рис. 23, б).
Участок пойменной насыпи на подъеме к мосту (от ПК13+00 до ПК 15+47,17) запроектирован с рабочими отметками от 6,9 м до 10,77 м (рис. 15). Так как на данном участке откосы подходной насыпи в период паводка подтапливаются водой, то крутизна откосов надводной части принята равной 1:1,5, а подтопляемой – 1:2. Сопряжение надводной и подтопляемой частей откосов осуществляется при помощи берм шириной 4 м. На рис. 23, в представлен поперечный профиль высокой насыпи на участке подъема к мосту.
Назначаем типы поперечных профилей земляного полотна на правобережном подходе мостового перехода.
Участок спуска от конца моста до низкой пойменной насыпи (ПК 20+51,83 – ПК 26+00) на всем своем протяжении в период паводка подтапливается водой, разделяя откосы подходной насыпи на подтопляемую и надводную части. Откосы земляного полотна, относящиеся к надводной части проектируем крутизной 1:1,5, а подтопляемой – 1:2. Эти части откосов сопрягаются бермами, ширина которых принята равной 4 м. Поперечный профиль высокой насыпи
Рис. 23. Поперечные профили земляного полотна
на левобережном подходе к мосту
Рис.24. Поперечные профили земляного полотна
на правобережном подходе к мосту
показан на рис. 24, а.
Участок от спуска моста на пойму до подъема на берег речной долины (ПК 26+00 – ПК 42+52) относится к низкой подходной насыпи мостового перехода. Так как откосы подходной насыпи на этом участке подтапливаются водой почти на всю высоту, то проектируем их с крутизной 1:2 (рис. 24, б).
От ПК 42+52 до ПК 43+00 располагается участок, связывающий низкую пойменную насыпь с берегом речной долины. Этот участок не входит в зону подтопления в период весенних паводков, и поэтому поперечные профили земляного полотна проектируются как обыкновенные дорожные насыпи. На рис. 24, в показан поперечный профиль земляного полотна на подъеме от низкой пойменной насыпи к берегу речной долины.
Построение поперечных профилей земляного полотна обычно выполняется в масштабе 1:100 и в следующей последовательности.
В сетку поперечного профиля (приложение 6) с продольного профиля мостового перехода заносятся фактические и проектные данные, соответствующие сечению (пикету), для которого будет проектироваться поперечный профиль. При заполнении граф «проектные данные» используются сведения о параметрах поперечного профиля автомобильной дороги (табл. 7), о поперечных уклонах проезжей части (табл. 8) и обочин, а также рекомендации о назначении крутизны откосов насыпей или выемок (табл. 6).
Перед заполнением граф «фактические данные» методом интерполяции на плане трассы определяются отметки существующего рельефа местности на сопряжении подошв откосов с основанием грунта, на которое будет отсыпана насыпь, а в случае выемки – отметки верхних ее бровок. Установленные фактические отметки существующего рельефа местности и расстояния заносятся в сетку поперечного профиля. Затем по фактическим отметкам строится существующий рельеф местности (черный профиль), а по проектным отметкам – проектная линия поперечного профиля.
Для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна откосы подходных насыпей должны быть укреплены как с верховой стороны, так и с низовой.
Перед решением этого вопроса определяем границы зон подходных насыпей, которые находятся в разных гидрогеологических условиях (рис. 22). Первая зона включает в себя откосы насыпей, находящиеся вне подтопления речным потоком при РУВВ. К этой зоне относим участки подходных насыпей (рис. 15): с ПК 10+00 по ПК 13+00; часть насыпей на левой и правой поймах, расположенных выше отметки бровки низкой подходной насыпи БПН, равной 56,28 м, т.е. от ПК 13+00 до ПК 15+47,17 и от ПК 20+51,83 до ПК 26+00, а также участок от ПК 42+52 до ПК 43+00. Руководствуясь приложением 3 для откосов этих насыпей назначаем тип укрепления в виде засева травами (приложение 7).
К второй зоне относим участки земляного полотна, откосы которого расположены ниже отметки БПН = 56,28 м и в весенние паводки подтапливаются водой речного потока (рис. 22). Эти участки расположены от ПК 13+00 до ПК 15+47,17 и от ПК 20+51,83 до ПК 42+52.
По приложению 3 для откосов земляного полотна этих участков, находящихся в неблагоприятных гидрогеологических условиях, назначаем тип укрепления: для верхового откоса насыпи – железобетонные плиты, омоноличенные по контуру, размером 2,5х3,0 м при толщине 20 см; для низового откоса насыпи – железобетонные плиты, омоноличенные по контуру, при толщине 15 см.