книги / Сопряжение проезжей части автодорожных мостов с насыпью

Наличие неровностей II—III групп существенно снижает экс­ плуатационные качества дорог; из-за толчков на неровностях ав­ томобили снижают скорость движения, расходуют больше топли­ ва, сокращается межремонтный пробег. В результате снижается производительность автомобилей и возрастает себестоимость перевозок.

.Некоторое представление о количестве .местных просадок над искусетвенньши сооружениями дает упрощенная регистрация толч­ ков, испытываемых автомобилем -по четырехбалльной оистеме (0— толчок отсутствует; 1 — слабый; 2 — сильный; '8 — очень силь­ ный). На рис. 9 показан схематический профиль участка дороги

£МЛЫ толчкио

Километры

Рис. 9. Схематический профиль участка дороги с ориентировочной оценкой толч­ ков автомобиля над искусственными сооружениями по четырехбалльной системе:

О — толчок отсутствует; / — слабый; 2 — сильный; 3 очень сильный

с ориентировочной оценкой толчков над искусственными сооружениями по такой системе* Регистрация толчков производилась на переднем сиденье автобуса ЗИС-155, движущегося с постоянной скоростью 50 км/ч.

Местные просадки имеют определенную связь с общими осад­ ками земляного полотна, но механизм их формирования более сложен.

В отличие от общих осадок, {продолжительность которых огра­ ничена .периодом стабилизации грунтов основания и тела .насьши (обычно 3—6 лет), местные просадки периодичны и возникают, как травило, .весной. Предолжителыность (периода фунщиошрова-

.кия просадок исчисляется десятилетиями. Так, по данным обсле­ дований, производившихся .на 17 автомобильных дорогах, IB чис­ ле которых имелись дороги со срокам эксплуатации 18 лет, пол­ ного затухания местных просадок не (выявлено.

Сказанное свидетельствует о том, что без выяснения причин образования местных просадок нельзя комплексно оценить дефор­ мации насыпей возле искусственных сооружений.

'Союздоряии были поставлены инструментальные обследования местных просадок у .мостов с короткими (!1,5—2,0 IM) переходными плитами и без плит на дорогах, расположенных в разных клима­ тических зонах, с разнообразными шдро;геололическм(ми условия­ ми, разным сроком эксплуатации и несколькими типами берего­ вых опор мостов. Обработка и анализ собранного фактичежого

21

«материала позволили выделить влияющие факторы и ,некоторым из лих дать количественную оценку.

Ввиду одновременности действия многих факторог обработку статистических данных производили то нескольким показателям параллельно. Прежде всего для дорог с одинаковым типом покры­ тия, однотипными береговыми опорами мостов и сходными кли­ матическими и ииженеряо-пшлогическими условиями были по­ строены обобщенные зависимости глубин просадок от высоты на СЬШН Йм —/нас (рис. 10, а и б).

Рис. 10. Зависимость глубин местных просадок от высоты насыпи:

•Анализ данных обследований производился по двум укрупнен ньш грушам факторов- 1 — природные; .2 — инженерные и экс­ плуатационные. К 1-й группе факторов отнесены климатические условия, тип грунтов в основании насыпи, и, в известной мере, ус­ ловно, — тип и степень уплотнения грунтов насыпи. К 2-й груп­ пе отнесены факторы инженерных решений, проявляющиеся в процессе эксплуатации дороги.

Природные факторы

Климатические условия. Изменение величин местных просадок удалось проследить на автомобильных дорогах с примерно рав­ ным ершом эксплуатации, одинакав-ыми типами покрытий и береговыж опор мостов, сходными инженерио-геологичеоким'и усло­ виями, ®о расположенных в разных дорожно-климатических зонах.

Наличие нивелировочных данных позволило .построить серии

зоны) показали, что по мере продвижения дорог из зоны избыточ-

22

даго увлажнения © зону недостаточной влажности лроиоходит по­ степенное уменьшение глубин .местных просадок.

»В частности, оказалось, что я а яр с-тяжеки-н Г-300 км от Москвы до Мелитополя местные просадки снижаются (примерно в 4— 5 раз. Одновременно уменьшаются, но несколько (медленнее и дли­

Формула (1). может быть попользована и для определения ор­ динат местных просадок в зависимости от глубины драмерзания фунтов; в таком случае вместо Wo в нее -следует подставить зна-

23

чения глубин промерзания /гпр0м (ом) для данного климатического района.

\В -более сложно-м .виде проявляется связь местных просадок насыпи с годовой суммой атмосферных осадков [7].

Предельной 'высотой насыпи для вычисления ординат местных •просадок по формулам (;1) и (2) является 5 ,м

Приведенные выше данные «показывают, что местные просадки насыпи у мостов функционально связаны с температурне-в-лажно- стньш режимом земляного полотна, т. е. зависят от климата.

Степень уплотнения грунтов тела насыпи. Выборочные сравне­ ния местных просадок насыпей из суглинков и из песков показа­ ли, что в последнем случае величины просадок в 1,3—1,5 раза меньше ,[8]. Это объясняется тем, что в суглинистых грунтах раз­ виваются большие морозные деформации, чем в .песчаных.

Учитывать влияние первоначальной плотности грунтов насыпи на возникновение -местных просадок у мостов целесообразно лишь в том случае, если за прошедший период эксплуатации недоста­ точно уплотненные грунты насыпи еще не приобрели определен­ ную структурность. Такую структурность грунты приобретают при достижении плотности, несколько превышающей (на величину до­ бавочного уплотнения автомобильной нагрузкой ели весом выше­ лежащих слоев грунта и покрытия) .плотность грунтов .в природ­ ном залегании. Исследования показывают {30], что .плотность структурных грунтов близка к оптимальной, достигаемой при стандартном уплотнении.

/Период, в течение которого происходит -отмеченное структурное формирование грунтов, приближенно можно считать равным пе­ риоду стабилизации деформаций консолидации. За пределами этого периода грунты насыпи будут претерпевать сезонные мороз­ ные деформации, наибольшие при весеннем разуплотнении (оттаи­ вании), когда прочность грунтов снижается почти вдвое. В связи с этим очевидно, что при прочих равных условиях в районах с не­ сколькими циклами замерзания-оттаивания (неустойчивые зимы), местные просадки возле мостов будут более значительны, чем в районах с устойчивым климатом.

Таким образом, в формировании местных просадок на длитель­ но /эксплуатирующихся дорогах фактор предшествующего уплот­ нения постепенно теряет свое значение, уступая место сезонным деформациям.

При длительной и интенсивной эксплуатации дороги даже хо­ рошо проницаемые для воды и уплотненные грунты постепенно меняют свой механический состав за счет появления мелких час­ тиц истирания, .которые загрязняют подстилающие слои дорожной одежды. (В результате эти слои {Приобретают свойства связных пы­ леватых грунтов с повышенной морозной деформактивностью.

Грунты в основании насыпи. Замечено, что на насыпях, возве­ денных на сравнительно устойчивых грунтах (пески ©лажные и водонасыщенные, супеси слабо1вда1Ж1Ные, суглинки твердоплаетич-

24

ные) по сравнению с мвлоуетойчщвм-и грунтами, (местные просад­ ки имеют меньшие величины. Это объясняется отмеченной выше зав-ишмостью местных просадок от общих осадок насыпи (послед­ ние меньше при устойчивых основаниях), а также лучшим влаж­ ностным режимом таких насыпей.

(При низких насыпях подходов к мостам через мокрые лог а в

.прстаяняые водотоки грунты основания влияют на местные ппосадки так же -косвенно, как источник увлажнения земляного по­ лоша за счет капиллярного поднятая воды. Чем (больше пылева­ тых частиц в грунтах насыпи, тем больше прослеживается это влияние и нем значительнее просадки. В особенности большие про­ садки отмечены на низких (до 3 м) подходах к мостам, сложен­ ных пылеватыми суглинками и находящимися в условиях постоян­ ного .подтопления водами водохранилищ.

Инженерные и эксплуатационные факторы.

Срок эксплуатации дороги. Изучение зависимостей /гм= /(Я Я«) показало что местные просадки по глубине увеличиваются вме­ сте с ростом срока эксплуатации дороги. Из построения графика

зобновляются вновь.

По мере ремонтов происходит погружение асфальтобетона- в тело земляного полотна. Для установления глубины погружения асфальтобетона на ряде мостов дороги Москва—Симферополь пре помоЩи бурильной установки БУЛИЗ-15 с уровня покрытия закла- ■ давали скважины. Оказалось, что за 18 лет (эмсплуатацщ дорота'

общая толщина асфальтобетона возле обследованных мостов до­

5 лет интенсивных формирований местных (просадок, то ежегодно на рассматриваемых мостах местныепросадки «разрабатывались» в среднем на 2—6 см.

Рис. S3. Увеличение толщины покрытия:

-Обобщенная схема формирования местных просадок возле мо­ стов при асфальтобетоннам покрытии показана на рис. 13, б.

Форма продольного профиля дороги рассматривалась с точки зрения воздействия поверхностных вод, стекающих с покрытия и увлажняющих земляное полотно возле мостов. С ЭТОЙ целью встретившиеся при обследовании профили дорог около мостов были сгруппированы в четыре типа (рис. 14).

* ^ т ч

Рис. S4. Типы профилей дорог на подходах к мостам

Инструментальные обследования мостов с разными профилями подходов показали, -что -наибольшие местные просадки наблюда­ ются при вогнутом профиле (рис. 14, а) или с .верховой стороны подхода, расположенного -на уклоне (рис. 14, б). В этих случаях ордината иросадаи -ззависит от длины спуска дорога к мосту и со­ ставляет .в среднем 1,0—il,5 см на каждый километр спуска (-обыч­ но длина спуска не превышает 2—3 жм).

Просадки с верховой (по отношению к дороге) стороны мос­ тов, расположенных на уклоне, значительно больше, чем с айво­ вой, Причем эта разность увеличивается с увеличением влажности

26

ными стешами, а также гари свайных опорах с заборными стен­ ками или открылками (опоры I типа). Так, сравнение просадок у мостов с массивными и свайными (или столбчатыми) опорами наказало, что в первом случае просадки на 20—30% больше, чем ®о вторам. Примерно на столько же уменьшилась и пологость про­

садок, выраженная отношением — (где 1№— длина и Ам — глуби-

на просадки)

Увеличенные местные просадки у опор I типа объясняются пло­ хим дренированием воды из тела насьгой в сторону отверстия. В пространстве, ограниченном передними и обратными стенками, образуется как бы «каменный мешав», заполненный грунтом по­ вышенной влажности. Образованию просадок в данном случае спо­ собствует глубокое промерзание грунта через опору как е перед­ ней, так и с боковых ее сторон.

Следует отметить, что за шорами I типа происходят также тиксотропные изменения грунта, которым подвержены грунты, со­ держащие даже небольшое количество (1,5—2%) глинистых ча­ стиц (не тиксотропны —• чистые пески, гравий и галька). Тиксотропность ухудшает водоироводиместь и морозостойкость грунтов, но степень влияния его на просадки пока не изучена.

Просадки у мостов с III типом опор несколько меньше (в осо­ бенности при коротких консолях), чем при опорах I типа, но пре­ вышают просадки у мостов с опорами II типов. Пологость проса­ док при опорах I и III типов примерно идентична.

Отметим, что позже 'исследований Союздорган [в] влияние ти­ па береговых шор на местные просадки у мостов было раосмот-

28

рено в .работе [37]. Сравнивая три типа устоев, резко отляч.аю-щих- ся .по своим вышта-м (устои жесткого тала — #*»«=*!,6 -м; кояои- «аго, Ншс—Q,2—6 iMи свайного Я =6,12—7,5 ,м) авторы работы приходят к выводу, что -наибольшее .количество просадок /покрытия ■наблюдается при устоях колонного типа. Однако при этом они упускают то обстоя •ельство, что в формировании местных проса­ док неоравиеино -большее значение имеет высота насыпи, а теш устоев влияет значительно меньше. С учетом этого американские

..данные показывают что относительно большее количество проса­ док приходится /на устои жесткого типа, а количество просадок у устоев колотого и .с/вайното типов примерно одинаково.

Устойчивость конусов. Обследования показали, что наименее устойчивы конусы яри опорах III типа (рис. 1о) а наиболее ус­ тойчивы — при опорах I типа; опоры II типа по этому показате­ лю занимают промежуточное значение. Здесь мы сталкиваемся с парадоксом, так как при опорах I типа наблюдаются большие ме­ стные просадки насыпи, чем при опорах II типа. Статистические данные, однако, показывают, что степень устойчивости конусов влияет на просадки в значительно меньшей степени, чем наруше­ ние водно-теплового режима земляного полотна, что встречается при опорах I типа. Поэтому с точки зрения обеспечения лучшей ровности покрытия применение сквозной конструкции устоев (II тип опор) по сравнению со оплошной (I тип) более целесооб­ разно. Это подтверждают и собранные статистические данные.

Наличие переходных плит в сопряжениях мостов насыпью.

Здесь яри обследованиях на ряде дорог были раоамотраны три типа сопряжения с насыпью: без переходных плит — в виде ще­ беночного клина, с короткими (1,5—2 м) переходными плитами и с переходными плитами длиной 5,0 -м, впервые примененными в 1961 г на пяти /мостах и путепроводах МКАД.

Оказалось, что наибольшие .просадки наблюдаются на сопря­ жениях без /устройства переходных плит — они /не /менее чем на 30% превышают просадки при /коротких переходных плитах, В свою очередь, примерно на такую же величину -снижаются про­ садки при устройстве переходных плит длиной 5 м по сравнению с плитами 2 м. Составление графика связи просадок для. мостов МКАД одинаковой высоты и .с одинаковым типом профилей под­ ходов показало, что при плитах длиной 5 к по .сравнению с плита/ми длиной 2 -м увеличиваются -в среднем яа 20% и длины про­ садок, т. е. просадки при 5-.метревых плитах стали -более плав­ ными.

Таким -образом, применение длинных -переходных плит в сопря­ жении с насыпью до сравнению с сопряжениями без переходных пДит .снижает .местные просадки в 1,5—<1,6 раза, а по сравигашю с короткими плитами — не -менее чем на 30% .

Тип покрытия дороги. При въезде на мост и съезде с него ко­ леса автомобиля испытывают толчок' тем больший, чем больше разница в жесткости езды по покрытию и по пролетному строе-

29

шю. Можно авдэтомг утверждать, что при прочих равных усло­

виях .местные просадки .возле мостов на асфальтобетонном покры­ тии будут больше, чем на цементнобетонном. Это подтверждают сравнения просадок, асфальтобетонного покрытия у мостов на подъезде к аэропорту Шереметьево с просадками цементнобетонно­ го покрытия МКАД, В обоих случаях конструкция земляного по­ лотна здесь обеспечивает Дренирование поверхностных вод из-под

покрытия путем применения специальных песчаных слоев. Не­ смотря на интенсивное движение и больший срок шшлуатздда (9 лет), пропадай у моста, на МКАД не превосходят 0,3% #вае, в то .время как на подъезде к аэропорт Шереметьево уже ©■пер­ вый год эксплуатации (19*08 г.) они достигли 0,5—0,7% от Яяае-

К 'выводу о большей ровности цемантнабетонных покрытий по

сравнению с асфальтобетонными пришли А. В. -Смирнов к А, Г. Малофеев [23], исследовавшие прогибы дорожной одежды «рй движении автомобилей, а также американцы Т. Галкине » Р. Дин [37], По данным последних, основанным на обследование,

и цемеитнобетонном покрытии их 53% Соответственно в первомслучае больше просадок Ш группы (требуют ремонта), ,ем во

ВДОрОМ.

Интенсивность нагрузок. Роль этого фактора в формировании местных просадок бесспорна: чем тяжелее нагрузки и выше интен­ сивность движения, тем больше количество и большая "лубина

просадок. Однако при обследованиях отмечено лишь качественное проявление этого фактора — большее количество просадок при более заметных деформациях покрытий мостов « путепроводов,

раетоложеяных на ^часжах дорог, .подходящих к промышленным и административным центрам; а го же .время эти участки дорог

'более часто ремонтируются.

'"'обратные статнстичеокие данные одновременно показали, что-,

Процесс формирования .местных просадок у мостов, сотрш е- «ие которых с йасыпыо выполнено без переходных плит или с ’ко­ роткими заглубленными плитами, не выполняющими своих Функ­ ций, можно представить в следующем виде.

Под действием подежжюой нагрузки покрытие на подхо, ах к •мосту работает по схеме «'бегущей изгибной -волны», имеющей форму синусоиды. Пр • этом происходит прогиб под колесами ав­ томобиля тем больший, чем меньшей жесткостью обладает по­ крытие, Асфальтобетонные покрытия прогибаются на несколько

миллиметров, вызывая длинные (3—5 м) волны. Прогиб цементнобетонных покрытий выражается миллиметрами и характеризуется, короткими пилообразными волнами. Эисперимеитальные динами­ ческие аюследовамая .показывают Ш], что по сравнению со статн-

30