Научные основы разработки конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов

Актуальность проблемы.

Около 80% мостов эксплуатируемых на железных и автомобильных дорогах нуждаются в реконструкции или ремонте [1].

Дефекты, допущенные на разных стадиях строительства и эксплуатации, вовремя не устраняются, идет интенсивный процесс накопления повреждений, снижающих эксплутационную надежность и несущую способность конструкций [2].

Стихийные бедствия, межнациональные войны приводят не только к повреждениям, но и к полному разрушению сооружений. Поэтому, вопросы строительства мостов тесно смыкаются с вопросами их реконструкции, ремонта и восстановления.

Решение проблем разработки конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве, реконструкции и восстановлении мостов невозможно без анализа причин, вызывающих размывы у опор, сдвиги, осадки, крены, трещины сооружений, затрудняющих или исключающих их нормальную эксплуатацию.

Дефекты оснований и фундаментов, как правило, обнаруживаются не сразу, а выявляются во время эксплуатации моста и являются следствием ошибок, допущенных при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации моста.

Вследствие многообразия грунтов, изменчивости их физико-механических свойств и практической невозможности детального их изучения, геотехника пока не может предложить приемлемые теоретические решения, одинаково пригодные для разных случаев, например, текучих супесей или юрских глин и суглинков Московского региона.

Поэтому решение общенациональной проблемы строительства и реконструкции мостов невозможно без разработки и обоснования научных основ создания новых конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов опор мостов.

Целью работы является обоснование и разработка научных основ создания конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов.

В настоящей работе были поставлены следующие основные задачи:

1) разработать методологию исследования для решения геотехнических задач с использованием новой аппаратуры и оборудования, проведением стандартных и специальных испытаний и обработкой данных измерений, позволяющих с большей степенью детализации и достоверности исследовать геомассивы и основания фундаментов опор мостов;

2) обосновать и использовать методику моделирования, позволяющую проводить исследования нелинейной зависимости между осадками и нагрузками фундаментов опор мостов;

3) обосновать и использовать новые нелинейные зависимости между осадками и нагрузками для песчаных и глинистых грунтов в расчетах свайных фундаментов опор мостов;

4) разработать методологию инструментальных и аппаратурных измерений для мониторинга кинематики склонов и откосов при строительстве и реконструкции мостов;

5) разработать новые конструктивно-технологические решения, применяемые при строительстве, реконструкции, ремонте и восстановлении основании и фундаментов опор мостов;

6) оценить проблемы экологии в геотехнике.

Научная новизна работы:

1. Разработана новая методика исследования оснований и фундаментов опор мостов с учетом флуктуаций физико-механических характеристик грунта и техногенных влияний на окружающий грунтовый массив (химическое, биологическое, температурное) с использованием современного оборудования и новой измерительной аппаратуры для проведения стандартных и специальных испытаний при геомониторинге оснований в особых инженерно-геологических условиях (известняки, супеси, юрские глины и суглинки), в том числе склонов и откосов строящихся и реконструируемых мостов.

2. Разработаны критерии физического моделирования грунта оснований фундаментов опор мостов, позволяющие проводить исследования в системе «фундамент-грунт» с учетом нелинейной зависимости между нагрузками и осадками фундаментов опор мостов.

3. Впервые для фундаментов опор мостов использована нелинейная функциональная зависимость «осадка-нагрузка», позволившая повысить расчетное сопротивление грунта оснований фундаментов опор мостов.

4. Впервые разработаны новые конструктивно-технологические решения, в том числе: рамно-винтовые опорыопоры контурного типаопоры из свай с внутренней диафрагмойконструкции устоев диванного типа в сочетании с армогрунто-выми подходами.

5. Впервые экспериментально установлен и теоретически обоснован новый эффект стабилизации осадок основания опор мостов при динамической нагрузке в области нелинейной зависимости «осадканагрузка».

6. Разработаны и применены новые конструкции и методики, в том числе и для решения экологических проблем при строительстве и реконструкции мостов:

Г*' ' ¦" .!" ' • железобетонные стенки для защиты оболочек от ледохода, кар-чехода, навала судовметаллические оболочки для защиты свай фундаментов опор от истиранияучет влияния насыпного грунта на работу фундаментов опор мостов.

Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций, предложенных в диссертации, подтверждаются: многочисленными натурными и модельными экспериментами, обоснованными теоретическими разработкамиразработкой и модернизацией современной измерительной аппаратуры с целью получения большого объема новой информации и уменьшения погрешностей измеренийразработками и внедрением нормативных и рекомендательных документов по проектированию, строительству и мониторингу фундаментов опор мостов.

Практическая ценность работы.

Наиболее важным практическим результатом диссертации является разработка норм расчета несущей способности оснований буровых свай (СниП 2.02.03−85 пп. 4.6 и 4.7), а также нормы расчета несущей способности оснований фундаментов опор мостов на естественном основании (СниП 2.05.03−84 п. 7.8 и Прил. 24).

В период с 1985 по 1999 гг. указанные нормативные документы использовались не только на территории России и стран СНГ, но и]в про-мышленно развитых странах (Германия, Израиль).

Результаты диссертационной работы использованы при строительстве, реконструкции и проектировании ряда мостов: мост через р. Москву в Лужниках, мост через р. Москву у ММДЦ, путепроводы на пересечении МКАД с Смоленским направлением железной дороги, ул. Кирова в г. Химки, Волоколамским шоссемосты через р. Волгу в Ульяновске и у с. Пристанное, путепроводы на развязке третьего транспортного кольца с Кутузовским пр. и др.

Новые конструктивно-технологические решения, разработанные автором, использованы при проектировании и изготовлении подъемных опор наплавных мостов, рамно-винтовых опор модернизированной сборно-разборной эстакады РЭМ-500М.

Новые конструктивно-технологические решения опор контурного типа внедрены при строительстве моста через р. Волгу в г. Ярославле, а опоры из свай с внутренней диафрагмой — при ремонте моста им. лейтенанта Шмидта в Ленинграде.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались:

1. На заседании секции механики грунтов НТС НИИ — оснований и подземных сооружений, 1971 г.

2. На семинаре «Научно-технический прогресс в отечественной практике строительства свайных фундаментов в условиях слабых грунтов», Ленинград, 1972 г.

3. На заседаниях кафедры мостов ВАТТ, специализированных секций ученого совета ЦНИИС и научно-технических совещаниях в/ч 25 967, корпорации «Трансстрой», 1980;1998г. АО «Организатор» .

4. На заседании работников коммунального хозяйства РФ, М., 1997 г.

5. На VIII Международной конференции по экспериментальным исследованиям инженерных сооружений. ЭИИС-98, Москва, 1998.

Результаты диссертационной работы проверены многолетним использованием отдельных положений СНиП 22.02.03−85, СНиП 2.05.03 -84, СНиПВ, ПВКМ — 79, а также ряда рекомендательных документов, каждый из которых применялся при проектировании и строительстве ряда мостов: рекомендации по бетонированию методом свободного сброса (путепровод на пересечении Смоленского направления с МКАД) — рекомендации по определению размеров буровых свай (мост через р. Волгу у с. Пристанное) — инструкции по определению сплошности бетона (мост через р. Волгу у с. Пристанное) — рекомендации по сооружению армогрунтовых конструкций (путепровод через МКАД по ул. Кирова в г. Химки) — рекомендации по сооружению трубобетонных конструкций (мост через р. Волгу в г. Ульяновске) — рекомендации по проектированию и строительству свай типа CFA (путепроводы на развязке подходов третьего транспортного кольца к Кутузовскому проспекту).

Внедрены новые конструктивно-технологические решения: рамно-винтовые опоры (подъемные опоры наплавного моста) — опоры контурного типа (мост через р. Волгу у Ярославля) — опоры из свай с внутренней диафрагмой (ремонт моста им. лейтенанта Шмидта в Ленинграде).

Публикации Основные результаты исследований опубликованы в шестидесяти пяти научных работах, 25 из которых являются авторскими свидетельствами на изобретения или патентами.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и четырех приложений. Общий объем работы. стр. в том числе. рис.,. таблиц.

Список использованных источников

включает. наименования.

Результаты исследования оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарных геополей позволяют повысить надежность прогноза, рационально планировать мероприятия по предотвращению оползня и по защите сооружений и инфраструктуры, существенно уменьшить ущерб, исключить человеческие жертвы.

Рассматриваемые проблемы имеют как научный, так и прикладной характер, в частности, при исследовании и прогнозе устойчивости земляных сооружений (дамб, насыпей, плотин), при инженерно-геологических и геоэкологических исследованиях оснований больших строительных объектов (портов, намывных территорий, хранилищ отходов и др.).

Экспериментальные и теоретические исследования оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарных геополей проводятся с учетом всех этапов современной методологии изучения многофакторных явлений, включая многофакторный анализ процесса и метод наблюдений, которые являются составляющими мониторинга. Комплекс предлагаемых методик и аппаратуры не имеет аналогов ни в России, ни за рубежом, он определяет пионерное направление в изучении оползневых процессов.

Основу исследований составляет использование экспресс-метода комбинированного статического зондирования, широко применяемого в России и за рубежом [2].

При помощи бурового станка выполняется комбинированное статическое зондирование (в случае необходимости — бурение) с определением следующих параметров:

— дс. МПа — сопротивление грунта конусу зонда;

— 4 кПа — сопротивление грунта на муфте трения зонда;

— (при возможности) /, имп/с — значение у-фона грунта;

— fC — температура грунта;

— Р, Бар — гидравлическое (поровое) давление в грунте.

По результатам лабораторного анализа проб грунта и данным статического зондирования осуществляется литологическое расчленение грунтового массива, а также определяются температурное и динамические (прочностное, структурное и гидравлическое) геополя.

Количество буровых скважин и точек зондирования, их расположение, глубина бурения и зондирования, глубина отбора проб грунта и измерений и их количество при зондировании определяется программой исследований и корректируется по мере накопления данных.

При необходимости исследования грунта на больших глубинах (30 м и более) и при невозможности проходки зондированием прочных слоев грунта применяется бурение, а затем продолжается статическое зондирование (эта технология называется поинтервальным зондированием).

Бурение скважин и комбинированное статическое зондирование выполняется буровым станком (например, ПБУ-1, смонтированным на автомобиле), оснащенным необходимым оборудованием и конструктивно согласованным с аппаратурой «ПИКА» и «Поропьезометр» (Рис. 3.1), в том числе с установкой фирмы АР Van den Berg.

Проходка скважин производится комбинированным способом — в глинистых грунтах вращательной колонковой трубой, а в пескахударным способом с применением желонки. При необходимости закрепления стенок скважин используются обсадные трубы. При бурении отбираются пробы грунта для последующих лабораторных испытаний.

На основе экспресс-метода комбинированного статического зондирования созданы и совершенствуются специальные методики и аппаратура для мониторинга оползнеопасных склонов и геомассивов [1]. Предлагаемые методики и аппаратура для определения температуры, прочности, структуры и гидравлического (порового) давления позволяют с необходимой дискретностью получить значения этих параметров «in situ» с возможностью контроля погрешностей измерений, что важно для получения достоверных данных.

Методика измерения температуры грунта с использованием комбинированного статического зондирования и построения поля температур в геомассиве была разработана для исследования мерзлого грунта и затем применена при инженерно-геологических изысканиях.

100 на площадках с различными геологическими и климатическими условиями.

Преимущества методики измерения температуры в процессе статического зондирования по сравнению с традиционными измерениями температуры в скважинах заключаются в том, что при зондировании нет искусственной конвекции воздуха, измеряется температура грунта, а не воздуха, практически отсутствуют граничные эффекты.

Рис. 3.1. Аппаратура ПИКА и Поропьезометр, согласованные с установкой фирмы «АР Van den Berg».

Суть метода заключается в измерении стабилизированного значения температуры датчиком температуры, расположенным в конусе стандартного зонда ПИКА. Датчик температуры, конус зонда, зонд и окружающий грунт при измерениях составляют единый теплофизиче-ский комплекс. При внедрении зонда в грунт температура конуса и муфты трения зонда, а также температура окружающего грунта значительно повышаются вследствие трения и разрушения структуры грунта (например, при прохождении крупнозернистого песка с нормированной скоростью температура, измеренная датчиком зонда, превышает фоновое значение температуры грунта более чем на 20°С). Для измерения температуры грунта зонд останавливают на заданной глубине и выдерживают в течение времени Т до установления терморавновесия между датчиком, зондом и окружающим грунтом.

Проведенные исследования показали, что: измеряемая датчиком зонда стабилизированная температура соответствует терморавновесному состоянию зонда и грунтаразность между температурой грунта «in situ» и стабилизированной температурой равновесного состояния зависит от теплофизи-ческих свойств исследуемого и вышерасположенного грунта, от длины колонны штанг, от теплопроводности их стали и температуры на поверхностипри исследованиях на глубине более 5 м влияние теплофизи-ческих свойств вышерасположенных слоев грунта, глубины зондирования и поверхностной температуры на величину стабилизированной температуры равновесного состояния незначительнопри исследованиях на глубине более 5 м стабилизированная температура равновесного состояния для грунта, имеющего одинаковые теплофизические свойства, практически не зависит от сезонного колебания температуры на поверхности;

Процесс релаксации температуры f с рассеиванием тепла иллюстрируется графиком (Рис. 3.2) и описывается уравнением: f = fu36ew (T'r) + fQ, (3.1) где fuse — значение избыточной температуры при остановке зондасо — коэффициент, зависящий от вида грунта и его теплофизи-ческих характеристикт — продолжительность переходного процесса после остановки зонда;

Г — время релаксацииt°0 — стабилизированная температура, соответствующая терморавновесному состоянию зонда и грунта.

При измерениях на глубине более 5 м разность между температурой грунта «in situ» и стабилизированной температурой равновесного состояния зависит только от теплофизических свойств исследуемого грунта (для водонасыщенных песков и водонепроницаемых глин она составляет, соответственно, 0,02−0,05 °С и 0,07 — 0,15 °С). Так как разность между температурой грунта «in situ» и стабилизированной температурой равновесного состояния незначительна и для одного и того же вида грунта на одинаковой глубине постоянна, при практических исследованиях принимается, что измеренная стабилизированная температура является температурой грунта «in situ» .

На базе этой методики выполнены следующие исследования:

1. При инженерно-геологических изысканиях на площадке порта Салиф (Йемен) в исследуемом грунтовом массиве было обнаружено естественное аномальное локальное температурное поле. Измеренная максимальная температура на глубине 30 м превышала 38 °C. По полученным температурным градиентам были определены направление теплового потока и его предполагаемый источник. Тепловой поток распространялся: из глубины геомассивана плане — от выхода на поверхность соляного диапира в направлении моря.

На основании этого сделано предположение, что источником естественного аномального локального температурного поля являются тектонические процессы, связанные с выходом на поверхность пластов поваренной соли через разрывы в толще осадочных пород (соляной диапиризм).

2. В центре Москвы при проведении инженерно-геологических изысканий обнаружено техногенное аномальное температурное поле. Температурное поле вызвано потоком теплой грунтовой воды в песча-но-галечных слоях грунта, расположенных над подстилающими слоями водоупорных глин. Температура грунта в потоках грунтовых вод на глубинах от 4 м до 8 м была 22−28 °С.

По температурным градиентам обнаружены два основных сходящихся потока грунтовых вод и определено место расположения источника.

По теплофизическим характеристикам грунта дана оценка энергозатрат на прогрев грунтового массива и мощности источника тепла.

3. При исследовании температурного поля склона близ г. Ташкент во время движения весенних паводковых вод обнаружено, что градиенты температуры в грунтовом массиве изменялись от 0,03 до 0,11 градус/м.

Нестационарное температурное поле характеризует тепломас-соперенос, в том числе процесс накопления воды и/или изменение водного режима геологического массива (склона) при различных природных явлениях (паводковые воды, дожди, приливы-отливы и др.). Колебания температуры в локальной зоне являются индикатором притока воды в геологический массив. Градиенты температур характеризуют направление и интенсивность потоков грунтовых вод, скорость миграции и накопления воды.

Избыточное увлажнение грунта и горных пород, наряду с другими факторами, является одной из основных причин, вызывающих развитие оползневых процессов.

Известные методики измерения порового давления, имеющие многие технические ограничения и требования, тщательно выполнявшиеся в процессе погружения конуса, не давали желаемого результата. Поэтому была разработана методика измерения порового давления при остановке зонда на глубине измерения, т. е. стабилизированного порового давления (установившегося после релаксации гидравлического давления в мобилизационной полости датчика зонда в гидравлической системе зонд — исследуемый грунт).

При погружении зонда происходят гидродинамические процессы. Для измерения порового давления в грунте «in situ» необходимо соблюдать выдержку во времени для того, чтобы прошел процесс релаксации. Процесс релаксации порового давления характеризует проницаемость или фильтрационные свойства грунта. Процесс релаксации порового давления Р описывается уравнением [3]:

Р — Ризбв?(Т'т) + Ро, где.

Ризб — начальное значение избыточного гидродинамического давления при остановке зондае — коэффициент, зависящий от вида грунта и его фильтрационных свойствх — продолжительность переходного процесса после остановки зонда;

Г — время релаксации;

Р0 — поровое давление в грунте «in situ» .

В результате исследований установлено, что значения времени Г — релаксации порового давления имеют следующий порядок в различных грунтах: в песках 5 мин, в супесях и суглинках 40 мин и глинах 420 минпродолжительность переходного процесса т определяется для стандартного зонда гидрогазодинамическими характеристиками и проницаемостью различных видов грунта. Для различных видов песчаного грунта т практически равно 0, для различных видов глинистого грунта т составляет несколько минут и определяется экспериментальным путем. В практических расчетах время релаксации Г определяется при экстраполяции значений функции порового давления Р&bdquoизмеренных в моменты f, интервала Т.

Значения давлений поровой воды и градиенты гидравлического давления (исследования показали, что градиенты достигают значений 0,08 МПа/м) определяют локальные ослабленные зоны оползнеопас-ного геомассива.

С использованием комбинированного статического зондирования нами исследована неоднородность грунта в условиях естественного залегания и получены количественные оценки для расчленения грунтовых массивов на виды грунта.

Для этого изучены условия возникновения погрешностей при исследовании грунта, совокупное влияние погрешностей устройства измерения и неоднородности грунта на результаты исследования и определены следующие положения для исследования грунта: неоднородность однородного с геологической точки зрения грунта не противоречит гипотезе о нормальном законе распределенияпри исследовании грунта (материала с большой дисперсностью) для получения результатов измерений при неоднородности У < 20%, необходимо, чтобы среднее квадратичное отклонение случайной ошибки измерительного устройства было 8 <0,5%.

При соблюдении этих положений самым эффективным методом расчленения грунтовых массивов на виды грунта и исследования слоев слабого грунта, в которых невозможен отбор монолитов, является комбинированное статическое зондирование с использованием аппаратуры «ПИКА» .

Н.К.Ведетапп [4] установил критерий который по отношению параметров 4 — трения грунта на муфте зонда и цс — сопротивления грунта конусу зонда позволяет выделить в разрезе пески, супеси, суглинки и глины, с использованием тензометрического зонда, получены следующие значения критерия? для различных видов грунта: песок — ?<0,008- супесь — 0,008</<0,014- суглинок — 0,014<Ю, 022- (3.3) глина — 0,022.

Метод литологического расчленения грунта при статическом зондировании получил дальнейшее развитие при определении вида грунта по трем параметрам: qcл I — естественный^фон грунта. Работы выполнены с помощью аппаратуры ПИКА-10- при комбинированном статическом зондировании был уточнен критерий I, и предложен комплексный критерий х.

Х = Ц1/10), (3.4) где /0 — начальный^фон грунта для данного региона. При исследовании этим методом грунта в Волгоградском Поволжье [9] получены следующие результаты определения вида грунта (таблица З.1.).