книги / Мостовые переходы

ный грунт не менее чем на 0,5 м расчетную несущую способность сваи или оболочки определяют по формуле

/>в = Я(0,1ЛА+1,5К), (VI.7')

где П— периметр; /г— величина заглубления в скальный грунт. Кроме фундаментов в виде ростверков со сваями или оболоч­

ками, в мостах средних и больших пролетов применяют массивные фундаменты, сооружаемые с помощью опускных колодцев, а в не­

свай.

Фундаменты на кессонах возводят при сложных гидрогеологи­ ческих условиях, при наличии в водонасыщенных грунтах скальных прослоек или твердых включений, представляющих препятствие для погружения свай, оболочек или колодцев.

Размеры опускного колодца или кессона в плане определяются размерами тела опоры. При этом обрезы назначают величиной до 1 м.

Наружные поверхности колодцев и кессонов делают вертикаль­ ными или со слабым наклоном к вертикали (1 : 100). В плане колодцы и кессоны устраивают прямоугольной или овальной формы.

Глубину погружения колодцев и кессонов определяют расче­ том на прочность, устойчивость и деформативность. Точный расчет таких фундаментов с учетом упругой работы тела фундамента и деформации окружающего фундамент грунта производят по спе­ циальной методике, разработанной ЦНИИСом.

При разработке конструктивных схем мостов допустимо поль­ зоваться приближенным расчетом, методика которого была изложе­ на выше для определения глубины погружения свай и оболочек. Расчетную несущую способность по грунту опускного колодца или кессона определяют по приведенной выше формуле (VI.6). В рас­ чете учитывается действие только вертикальных сил.

В размываемых грунтах заглубление колодцев или кессонов в грунт ниже отметки размытого дна должно быть при глубине за­ ложения фундамента до 10 м не менее 2,5 м, а при глубине зало­ жения более 10 м — не менее 5 м. Глубину заложения фундамента отсчитывают от уровня обреза.

Конструктивная схема моста, помимо технических, должна так­ же удовлетворять производственным, эксплуатационным и архи­ тектурным требованиям.

С точки зрения производственных требований сооружение мос­ та по разработанной схеме должно включать в себя такие техно­ логические процессы, которые или уже освоены мостостроительны­ ми организациями или освоение их не вызовет значительных за­ труднений для этих организаций. Конструкции пролетных строений и опор должны допускать их заводское изготовление. Технологиче­

181

ские процессы по сооружению моста не должны содержать трудо­

циях.

С точки зрения эксплуатационных требований мост, построен­ ный по разработанной схеме, должен пропускать транспорт с боль­ шими скоростями, и его конструктивные особенности не должны при этом вызывать преждевременного износа верхнего строения пути на железнодорожных мостах или элементов проезжей части

Конструкции ездового пути на железнодорожных мостах и про­ езжей части на автодорожных и городских должны удовлетворять требованиям по обеспечению безопасности движения.

К мостам предъявляют и архитектурные требования. В особен­ ности это относится к городским мостам. Мост должен быть кра­ сивым сооружением с точки зрения современных эстетических пред­ ставлений. Достигается это правильным распределением объемов сооружения.

§ VI.3. ОБРАЗОВАНИЕ И ВИДЫ РАЗМЫВОВ НА МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДАХ

При расчете отверстий различают следующие виды размывов: 1) общий размыв дна в отверстии моста, вызываемый стеснением реки подходными насыпями; 2) местный размыв у опор моста, яв­ ляющийся следствием локального изменения кинематической структуры потока при обтекании опор; 3) местный размыв у го­ лов регуляционных сооружений, возникающий в связи с образо­ ванием перепада водной поверхности в головной части сооружения; 4) естественный размыв, обусловленный развитием руслового про­ цесса па участке реки, где расположен мостовой переход.

Кроме перечисленных видов размыва, на построенных и эк­ сплуатируемых мостовых переходах иногда наблюдается так на­ зываемый сосредоточенный размыв. Он может образоваться, на­ пример, вследствие неудачного размещения отверстия или из-за не­ удовлетворительного действия струеиаправляющих дамб. В указан­ ных случаях отверстие пропускает воду неравномерно, основной по­ ток отжимается в одну сторону и в ней возникает сосредоточенный размыв. Правильно составленный проект мостового перехода дол­ ожен исключать образование этого вида размыва.

Общий размыв. Стеснение речного потока во время паводка (половодья) мостовым переходом приводит к увеличению удельно­ го расхода воды в отверстии моста. На участке потока перед мостом скорость вдоль по течению резко нарастает. Расход нано­

182

сов, зависящий от скорости течения, в сжатом сечении потока под мостом превышает расход наносов в бытовых условиях, поэтому количество наносов, поступающее сверху по течению в подмосто­ вое сечение, не компенсирует наносов, выносимых потоком со дна вниз по течению. Дно в отверстии моста понижается, образуется общий размыв.

Понижение дна распространяется вверх от моста вдоль русла реки на значительное расстояние (рис. VI. 13), равное приблизи­ тельно расстоянию до линии граничного сечения (см. гл. V ) , где скорость течения немногим отличается от бытовой, несколько пре­ вышает ее. Размыв распространяется также на некоторый участок вниз от моста, где скорость течения еще достаточно велика. Боль­ шая площадь дна захватывается общим размывом, объем грунта, выносимый с этой площади, значительный.

Рис. VI.13. Общий размыв у моста:

После постройки мостового перехода общий размыв начинается во время паводка на подъеме уровня воды, когда наступает затоп­ ление участков реки, перекрытых насыпями подходов.

Размыв формируется в процессе паводка и, следовательно, развивается во времени, что должно учитываться при определении его величины (§ VI.4).

В развитии размывов в русле реки и на пойменных участках отверстия имеется различие, вызванное тем, что в русле в бытовых условиях во время паводка, а иногда и в межень, движутся донные наносы; на пойме их нет.

183

Ход деформации дна в русле следующий. Размыв идет в пери­ од подъема паводка и частично во время его спада. Затем в осталь­ ное время спада, в период межени, а также некоторое время на подъеме следующего паводка происходит обратный процесс — дно намывается, образовавшийся ранее размыв заносится полностью или частично. Если часть размыва осталась, то при следующем па­ водке (такой же высоты, как предыдущий) продолжительность размыва обязательно сокращается и соответственно снижается раз­ мер размыва за время этого паводка. Полный же размыв — остав­ шийся и вновь образовавшийся, не превысит размыва за предыду­ щий паводок.

В общем, за многолетний период в руслах рек, в которых по­ стоянно движутся наносы, ясно прослеживается регулярное чере­ дование размыва и заноса образовавшегося размыва. Размыв дна у мостов периодически восстанавливается.

На пойменных участках отверстия общий размыв дна, образо­ вавшийся в первый паводок, к следующему паводку в основном сохраняется. Следующий паводок может его увеличить, если он по высоте не уступает предыдущему. Но время размыва и его глу­ бина в следующий паводок обязательно уменьшаются, поэтому от паводка к паводку размыв затухает. После нескольких высоких паводков (двух — трех) дальнейший размыв на пойме обычно пре­ кращается. Во многих случаях, особенно если устраивают срезку поймы у моста, размываемый пойменный участок отверстия в пер­ вый же высокий паводок сливается с руслом и образуется единое уширенное русло (рис. VI. 13), в котором размыв и намыв дна чере­ дуются.

Размер размыва при каждом данном паводке зависит от его высоты и продолжительности: чем многоводней паводок, тем боль­ ше размыв. Наибольший общий размыв почти всегда наступает во время многоводного паводка, поэтому при проектировании мосто­ вого перехода определение глубины общего размыва производят для этого высокого паводка, принимая его за расчетный. Методика определения высоты расчетного паводка (максимального расхода н уровня воды) изложена в гл. IV.

Ввиду следующих друг за другом циклов размыва и намыва дна можно полагать, что положение профиля дна при расчетном паводке будет таким, каким было в бытовых условиях — перед по­ стройкой сооружения.

Величина допускаемого общего размыва дна в настоящее вре­ мя ограничена техническими условиями проектирования мостов (табл. VI. 1). В нормах указаны предельные коэффициенты общего размыва, полученные в результате изучения данных наблюдений на эксплуатируемых мостовых переходах.

184

Коэффициентом общего размыва (Р) называют отношение средних глубин потока в отверстии моста после размыва (hM)и до

размыва (Лб.м) P=hМ/Лб.м.

В отверстие моста могут входить разнородные участки (русло, пойма), поэтому при расчете размывов иногда необходимо опреде­

лять коэффициенты размыва по участкам: в русле — />лр= Арм/Аб.р; на пойме — Pha=fiaM/haM, где Лр.м и haM— средние глубины после

размыва, а //п.р и ho.u— до размыва.

Допускаемые коэффициенты общего размыва, указанные в таб­ лице, представляют собой отношение средних глубин на всей ши­ рине отверстия (без деления на русловый и пойменный участки) на пике паводка с расчетным максимальным расходом воды.

Приведенные в первой строке таблицы удельные расходы во­ ды <7о относятся к некоторой характерной величине отверстия. При­ близительно <7O= <7G.P, вде <?б.р — удельный расход в русле в бытовых условиях.

Зависимость нормируемых коэффициентов от удельного расхо­ да связана с тем, что более высокие удельные расходы соответст­ вуют крупным рекам с глубокими руслами, пропускающими в бы­ товых условиях значи­ тельную долю общего расхода воды. На таких реках мера стеснения по­ тока переходом бывает небольшой и соответст­ венно снижается коэффи­ циент общего размыва.

Кроме того, в глубоком русле, даже при малом коэффициенте размыва, абсолютная величина смытого слоя грунта ока­ зывается значительной. При проектировании мос­ тов через водотоки с ма­ лой глубиной воды (на поймах, через предгорные реки) допустимо превы­ шать значения коэффици­ ентов размыва, указанные

в таблице, так как в этих случаях и при большем коэффициенте абсолютная величина слоя размыва невелика.

Местный размыв у опор моста (рис. VI. 14). У боковых граней опоры около верховой ее части линии тока сгущаются и происходит местное увеличение продольной скорости течения. Это увеличение скорости вызывает размыв дна у боков опоры. Изгиб линий тока в плане с выпуклостью, обращенной к опоре, создает около нее еще один вид течения —• поперечную циркуляцию воды. По этой причи­ не перед верховой частью опоры возникает подъем уровня воды

185

и нисходящее течение вдоль вертикальной образующей опоры. Дой­ дя до дна, нисходящие токи отклоняются в сторону от тела опоры, захватывают со дна грунтовые частицы и образуют углубление пе­ ред опорой. В этом углублении течение приобретает замкнутый ха­ рактер в виде водяного вальца с горизонтальной осью вращения, под воздействием которого вынос грунта продолжается. Размыв у боковых граней соединяется с размывом перед носом опоры, в ре­ зультате образуется общая воронка местного размыва.

По мере углубления воронки скорость течения у боковых граней опоры и местный подъем уровня воды перед ней уменьшаются, уменьшается также донная скорость водяного вальца, размыв по­

ка наибольшая глубина в воронке обычно формируется раньше, чем заканчивается общий размыв у моста.

Различают два случая формирования воронки местного размы­ ва (рис. VI.15): 1) с поступлением наносов сверху по течению, что частично компенсирует вынос грунта из воронки; 2) без поступле­ ния наносов.

При поступлении наносов в воронку кривая хода размыва

в верхней части приобретает пилообразный характер. Это связано

сгрядовой формой движения донных наносов, при которой коли­ чество наносов, попадающих в воронку, изменяется в зависимости от того, какой элемент гряды (верховой откос, подвалье) проходит около опоры.

Во время паводка в большинстве случаев у всех опор моста местный размыв формируется в условиях поступления наносов, так как в воронки попадает грунт, сносимый сверху при общем раз­ мыве дна. Развитие во времени общего и местного размывов идет параллельно, поэтому наибольшее углубление дна у мостовой опо­ ры, образующееся от обоих видов размыва, определяется с учетом ‘взаимодействия этих двух видов размыва (§ VI.7).

Местный размыв у голов струенаправляющих дамб. При обте­ кании дамбы в головной части на коротком участке наблюдается значительный перепад уровня воды и в связи с этим резкое мест-

186

ное увеличение продольной скорости течения (рис. VI. 16). Перепад водной поверхности приблизительно равен величине максимального подпора у подходной к мосту насыпи, так как подпор вдоль насыпи подхода распространяется до дамбы (гл. V). Большой продольный градиент скорости вызывает размыв дна у головы дамбы. В резуль­ тате образуются несколько вытянутая вдоль по течению воронка местного размыва. Грунт, вынесенный из воронки, откладывается вдоль дамбы и постепенно в ходе общего размыва дна у моста уно­ сится вниз по течению. Головы дамб на переходах через равнинные реки располагаются в удалении от моста на пойме, поэтому в боль­ шинстве случаев формирование воронки размыва идет без поступ­ ления в нее донных наносов.

Размыв у головы дамбы, как и общий

кающей дамбу.

Ввиду небольшой площади размыва и малого объема грунта, выносимого из воронки, местный размыв у головы дамб (как и у опоры моста) во время каждого паводка заканчивается раньше об­ щего размыва.

Окончательная наибольшая глубина местного размыва у дам­ бы, размещенной па пойме, устанавливается в результате прохода нескольких высоких паводков, так как размыв развивается без по­ ступления наносов в воронку.

На мостовых переходах, кроме струенаправляющих дамб, при­ меняют также другие регуляционные сооружения (см. гл. VIII) и, в частности, струеотбойные траверсы. В общем, характер размы­ ва у голов траверсов аналогичен размыву у дамб.

Естественный размыв дна в отверстии моста обусловлен русло­ вым процессом, свойственным участку реки, где расположен мо­ стовой переход. За многие годы существования перехода профиль дна под мостом изменяется не только из-за общего и местного раз­ мывов, но и вследствие естественных деформаций речного русла: движения гряд наносов, развития меандр и других процессов (см. гл. II). Ввиду указанного, самая низкая отметка дна в подмо­ стовом живом сечении в разные годы может быть различной и, что

187

особенно существенно, по ширине отверстия местоположение самой низкой отметки дна изменяется (см. рис. II.6).

Устанавливая необходимую глубину заложения фундаментов опор, следует учитывать возможное за время эксплуатации моста наибольшее понижение дна около них вследствие развития русло­ вого процесса. Расчет естественного размыва собственно заклю­ чается в назначении величины наибольшего понижения дна, кото­ рое может произойти у данной мостовой опоры. Принятая величина понижения прибавляется к понижению дна от общего й местного размывов и таким образом определяется суммарный расчетный раз­ мыв. В § VI.7 изложена методика назначения величины естествен­ ного размыва на реках с разными типами руслового процесса и по­ рядок суммирования его с другими видами размыва.

§ VI.4. РАСЧЕТ ОБЩЕГО РАЗМЫВА ДНА ПОД МОСТАМИ ПО ГИДРОГРАФУ ПАВОДКА

Исходные условия и зависимости. Для расчета размыва по гид­ рографу паводка (с учетом хода паводка) необходимо для участка реки в месте перехода иметь следующие данные:

1.Схематический план участка реки.

2.Живое сечение реки с выделением на нем морфологически однородных частей сечения: коренное русло, участки поймы, про­

токи.

3.Крупность частиц грунтов, слагающих русло и пойму под мостом, и крупность наносов, влекомых по дну в бытовых условиях.

4.Отверстие моста и плановую схему устройства струенаправ­ ляющих дамб: обычные короткие дамбы или применяемые иногда на переходах через предгорные реки длинные дамбы, сопрягающие­ ся с незатопленными берегами.

5.Зависимость расхода воды в реке от уровня в виде кривой расхода, с показанием отдельной кривой для коренного русла при

ai U

188

6. Гидрограф стока реки при расчетном паводке с разбивкой его по интервалам времени (рис. VI.17, а).

Гидрограф разбивают на интервалы времени (ступени) таким образом, чтобы объем стока ступенчатого гидрографа был равен объему стока действительного непрерывного гидрографа. Если гид­ рограф разбит на большее число ступеней, то точнее учитывается в расчете влияние хода паводка на размыв. Но при большом числе ступеней возрастает трудоемкость расчета размыва. Как показали расчеты, производившиеся в ЦНИИСе, число ступеней на ветви подъема паводка (от уровня поймы до пика паводка) должно быть

во всяком случае не менее трех.

Для рек допустим считать, что вкаждый отдельный интервал времени движение водыи наносов является установившимся, по­

этому в каждый интервал времени расчет деформации дна произ­ водят по формулам установившегося движения. Влияние хода па­ водка и соответствующего изменения расхода воды и наносов учитывают в расчете, производя его последовательно по интервалам времени в хронологическом порядке и суммируя деформации за каждый отдельный интервал времени.

Принцип расчета основан на предложении И. И. Леви рассчи­ тывать деформации дна рек при стеснении их сооружениями с бо­ ков по балансу наносов, влекомых по дну.

Исходным дифференциальным уравнением для вывода расчет­ ных зависимостей и формул может служить уравнение продольного

где V— объем грунтового тела размыва или намыва дна на участке реки перед мостом; t— время; GM— расход донных наносов через живое сечение потока под мостом; С?б.Р — расход донных наносов в русле в бытовых условиях, поступающих в подмостовое сечение

в виде размыва.

Во время паводка в руслах рек при нестесненном состоянии по­ тока, как правило, имеет место движение донных наносов (Сб.п>0). На пойменных участках в большинстве случаев оно от­ сутствует (G6.p= 0).

Тело размыва (намыва) дна реки на предмостовом участке, как показали специально проведенные опыты в лаборатории и наблю­ дения на некоторых существующих мостовых переходах, допустимо

189

схематизировать. В каждый из интервалов времени, на которые разбивается гидрограф стока, принимается, что тело размыва имеет простую форму клина (рис. VI. 18, в) или пирамиды (рис. VI.19, б) с основаниями, располагающимися в подмостовом сечении. На пе­ реходах через равнинные реки ширина тела размыва / в русловой части отверстия равна ширине русла, так как на этих переходах

Рис. VI. 18. Схема общего размыва у моста:

а — план; б — разрез вдоль русла; в — тело размыва перед мостом

М

Рис. VI.19. Схема общего размыва у моста, в отверстие которого входит поймен­ ный участок:

а — план; б — тело размыва пойменного участка

русло не стесняют подходами. На переходах через предгорные беспойменные реки ширина тела размыва меньше ширины русла и рав­ на отверстию моста 1М(см. рис. VI.18, а). В пойменной части от-

190