Опоры мостов

Мост состоит из двух основных частей: опор (устоев и промежуточных опор с поддерживающими их фундаментами) и пролетных строений. Пролетные строения осуществляются в виде арок или сводов, плит, балок, ферм и др. с проезжей частью, а в случае необходимости — со связями.
Опоры передают нижележащему грунту нагрузки от собственного веса опор и пролетных строений, от обращающихся поездов, а также от давления ветра, воды и т. д.
Устой представляет собой стенку, поддерживающую конец пролетного строения и сопротивляющуюся давлению примыкающего грунта. Обычно устои сооружаются из камня, бетона или железобетона; иногда применяют фундаменты из стальных, бетонных или деревянных свай. Устои, служащие и подпорными стенами, чаще всего состоят из передней стены с откосными крыльями.
Промежуточные опоры обычно сооружаются из камня, бетона и железобетона (рис. 1). Иногда здесь также применяются деревянные, железобетонные и стальные сваи.
Расположение опор моста определяется проектом и зависит от местных условий, т. е. характера массового перехода и вида предусмотренных нагрузок. При этом должны быть учтены требования судоходства и владельцев территории, а также приняты во внимание требования общегосударственных и местных законов, требования военного ведомства.
опоры моста
Эти обстоятельства заставляют иногда отходить от проектных решений, вытекающих из чисто экономических соображений.
Однако при проектировании следует иметь в виду, что в наиболее экономичной конструкции стоимости опор и пролетных строений должны быть приблизительно равны.

Исследование геологических условий.

Перед началом постройки моста необходимо произвести тщательное исследование грунта. Это можно выполнить посредством обычных шурфов, бурения с промывкой скважины, при помощи ложечного бура или же посредством колонкового бурения. Последний метод обязателен при исследовании грунтов для постройки крупных и дорогостоящих сооружений. По результатам бурения можно судить о необходимости или целесообразности забивки пробных свай для определения приблизительной длины свай и получения потребной несущей способности.
Если по геологическим условиям требуется устройство свайного фундамента, то надо тщательно взвесить относительные достоинства свай металлических и бетонных, а также пропитанных и непропитанных деревянных. Долговечность непропитанной древесины обусловливается постоянным нахождением ее ниже уровня грунтовых вод; в меньшей степени это относится и к пропитанной древесине. Имея в виду, что уровень грунтовых вод может изменяться, необходимо при проектировании тщательно изучить и проанализировать все факторы, которые способны повлечь снижение уровня грунтовых вод, чтобы принять возможные меры для сохранения свай. В случае сомнений необходимо понизить уровень обрезки голов свай и специально рассмотреть вопрос о роде свай, наиболее соответствующем местным условиям.

Помимо гниения, сваи подвергаются повреждению термитами и другими насекомыми, сверлящими дерево на суше, морским шашнем и другими древоточцами — в океане и в водах прилива. Защитные мероприятия против них рассмотрены в статье «Консервирование древесины».
Устойчивость опор имеет существенное значение для всего сооружения, поэтому их состояние должно находиться под постоянным надзором. Особую бдительность надлежит проявлять во время и после паводков, ледохода, ливней и других явлений, которые могут способствовать повреждению сооружения. В таких случаях необходимо безотлагательно проводить тщательный осмотр быков и других подводных частей, при необходимости с помощью водолазов, для проверки отсутствия подмыва и других нежелательных последствий.

Типы устоев.

Устои по своей конструкции разделяются на три основных типа: с откосными крыльями, с обратными стенками и таврового типа. Видоизменениями этих типов являются: устои обсыпного типа, массивные и с проемами, арочные устои, а также пустотелые устои коробчатого типа. Составной частью устоя каждого типа является передняя (и шкафная) стенка.
Различные типы устоев схематически изображены на рис. 2.

Типы устоев мостов
Рис. 2. Типы устоев:
а — устой с откосными крыльями; б —железобетонный устой с контрфорсами; в — бетонный устой с обратными стенками; в — железобетонный устой с обратными стенками; д — обсыпной устой массивного типа; е — обсыпной устой с проемами; м — устой железобетонной эстакады; э — устой с проемами

Постройка устоя с откосными крыльями
Рис. 3. Постройка устоя с откосными крыльями

Устой с откосными крыльями (рис. 3) представляет собой тип, наиболее широко применяемый в настоящее время. При слишком больших высотах насыпи он оказывается невыгодным. В его состав входит передняя стенка обычного типа и боковые стенки, которые могут быть отклонены назад в плане под углом около 30° к лицевой поверхности передней стенки. Верхней поверхности откосных крыльев придают наклон в соответствии с откосом насыпи. Разновидностями этого типа устоя являются устои с откосными крыльями и контрфорсами, расположенными или впереди устоя или в теле насыпи.
В устое с обратными стенками последние расположены позади передней стенки под прямым углом к ее лицевой поверхности. Иногда обратные стенки устраивают и в обсыпных устоях («устои-кафедры»). Длину их у подобных устоев назначают с таким расчетом, чтобы удерживаемый грунт не попадал на подферменную площадку.
Устой таврового типа представляет собой переднюю стенку, к которой для увеличения ее устойчивости сзади пристраивается хвостовая стенка, простирающаяся до верха конуса.
Массивный устой обсыпного типа представляет собой переднюю стенку, лишенную крыльев; применяется обычно на малых водотоках при относительно небольшой высоте насыпи.
Устои с продольными проемами целесообразны при больших высотах насыпи вследствие понижения давления грунта на такие устои по сравнению с давлением, которое насыпь оказывает на сплошную стенку.
«Арочный» тип устоев (с поперечными проемами) можно считать видоизменением устоев с обратными стенками, облегчаемых здесь одной или несколькими арками, количество которых зависит от высоты опоры и типа пролетного строения. Применяют этот тип в тех случаях, когда вследствие большой высоты насыпи устои с обратными стенками и с откосными крыльями оказываются неэкономичными.
Пустотелый или коробчатый устой часто применяют для путепроводов, пересекающих улицы. Обычно он представляет собой бетонную коробку с солидной задней стенкой и с проемами в передней стенке.

Проектирование устоев.

При проектировании устоев необходимо обеспечить их устойчивость на опрокидывание в плоскости основания и по обрезу фундамента, а также достаточное сопротивление осадке и скольжению в плоскости основания и по любому горизонтальному сечению опоры. В удовлетворительно запроектированном устое равнодействующая всех действующих на него сил должна проходить через основание вблизи от его центра тяжести, чтобы создать равномерное давление; прохождение ее в средней трети основания еще недостаточно.
При проектировании устоя надлежит учитывать следующие вертикальные силы: давление временной подвижной нагрузки с динамикой, вес пролетного строения, вес устоя и часть давления земли на основание, принимаемую в зависимости от конструкции опоры. Иногда динамическое воздействие подвижной нагрузки при расчете не учитывается. Из горизонтальных продольных сил при проектировании устоя учитывают силы торможения поезда и давление грунта, зависящие от его веса и от временной нагрузки на призме обрушения; в поперечном направлении учитывают давление ветра, передаваемое с пролетного строения.
Длина шкафной стенки зависит от ширины площадки насыпи. Длина подферменной площадки не должна быть меньше ширины пролетного строения, измеренной в плоскости опорных плит, плюс 183 см. При проектировании обратных стенок и откосных крыльев следует приблизительно выдержать те же соотношения между высотой и толщиной, что и для передней стенки, а толщину их в верхней части назначать примерно такой, как у шкафной стенки.
Типы быков (рис. 4, 5 и 6). Быками называют промежуточные опоры многопролетных мостов. Они должны покоиться на устойчивом, не дающем просадки основании, достаточно заглубленном от линии промерзания и расположенном ниже уровня возможного размыва.
Большинство старых быков сооружено из камня, бетона или железобетона; они представляют собой сплошные массивы или пустотелую конструкцию. Быки сооружают с помощью перемычек, кессонов, опускных колодцев и опускных ящиков (понтонов), соответствующих размерам опоры и опущенных до слоя грунта с достаточной несущей способностью.
Бык обычного типа с водорезом
Рис. 4. Бык обычного типа с водорезом.
Примечание. На выступающих краях бетона снимаются фаски 3x3 см.
Обычно перемычки имеют в плане прямоугольную форму. Основное требование, предъявляемое к ним, заключается в обеспечении необходимой степени водонепроницаемости ограждения котлована, находящегося ниже уровня водотока или грунтовых вод, и в способности сопротивляться давлению грунта и воды извне. Естественно, что при проектировании перемычек необходимо принять меры к тому, чтобы строительная стоимость в сумме с расходами на содержание и на водоотлив была минимальной.
Перемычки относительно малых размеров и небольшой глубины обычно представляют собой одиночный или двойной шпунтовый ряд из досок. Для более крупных сооружений применяют стальной шпунт или шпунт Уэйкфилда (Wakefield)*.

*Каждая шпунтина сплочена из трех досок таким образом, что образуется паз и гребень.


В последнее время отказываются от применения массивных быков в пользу более рациональных и дешевых конструкций. К ним относятся быки из металлических и железобетонных цилиндрических оболочек, быки в виде высоких ростверков из забивных железобетонных свай, стальных трубчатых свай (цилиндрических или конических), заполненных бетоном, или из прокатных стальных свай двутаврового сечения. Описание этих свай помещено в статьях «Сваи и оборудование для их погружения».
Фасады и план быка моста
Рис. 6. Фасады и план быка: а — вид сбоку; б — вид спереди; в — разрез по АА
Опускные ящики, опускные колодцы и кессоны применяют для постройки быков в тех случаях, когда вследствие большой глубины воды и толщины грунта, покрывающего материковый слой, другие типы фундаментов не целесообразны. Этим трем типам подводных фундаментов 1 присуща общая черта: они образуют оболочку, которая затем остается частью сооружения.
Конструкции этих типов фундаментов и методы работ получили широкое развитие на основе богатого опыта применения. Наибольшее применение для подводных работ нашли опускные колодцы, которые использовались при самых больших глубинах.

Новая конструкция быков.

В последнее время находит применение следующая конструкция быков. После устройства для каждого быка ограждения, имеющего надежные связи (обычно стальной шпунт), внутри него без водоотлива забивают до отказа стальные сваи. Затем из ограждения удаляют наносные грунты, а оставшиеся слои вокруг свай укрепляют инъектированием. Оболочку заполняют камнем, который с помощью инъектирования образует сплошной бетонный массив, обеспечивающий устойчивость быка и защищающий металлические сваи. Выступающая над уровнем воды часть шпунта служит хорошей облицовкой массива.
Этот патентованный метод постройки быков несколько видоизменяется при большой глубине воды, мощном ледоходе и наличии залегания скалы, выходящей на поверхность или покрытой наносами песка, гравия или ила.
В этом случае сооружают каркас с фиксированными направляющими элементами для несущих стоек и с регулируемыми стойками по периферии.
По мере вычерпывания наносов рама опускается на скальное основание и устанавливается в надлежащее положение, после чего ставят элементы стенки. Связи с внутренней стороны каркаса, смонтированные во время опускания рамы, служат направляющими для стальных цилиндров, которые также опираются на скалу. После окончания устройства всей стенки внутренность ее заполняют каменной наброской и инъектируют. Таким образом создается бетонный массив, возвышающийся над уровнем воды в реке. Затем внутрь стальных цилиндров опускают стальные несущие сваи или мощные арматурные каркасы, предназначенные для поддержания пролетного строения. Их погружают в скважины, устраиваемые в скале колонковым бурением с применением зубчатой коронки. Цилиндры заполняют камнем и инъектируют.

Силы, действующие на быки.

 Вертикальные силы, подлежащие учету при проектировании быков для железнодорожных мостов, включают вес подвижной нагрузки с динамикой, вес пролетных строений и вес быка выше рассматриваемого сечения. Кроме того, бык должен сопротивляться действию продольных сил торможения или силы тяги, поперечного давления ветровой нагрузки на поезд, пролетное строение и бык, действию сил, создаваемых течением воды и давлением льда, а для мостов на кривых — и действию центробежной силы. Для подводной части кладки следует учитывать потерю в весе за счет вытесненной воды.

1 В США все они именуются кессонами.
бык из стальных свай
Рис. 5. Один из двух быков, сооруженных из стальных свай, вместо старых каменных быков
Все силы, действующие на бык, необходимо определять с достаточной степенью точности, найти их равнодействующую и запроектировать основания способными сопротивляться наибольшему ожидаемому давлению с необходимым коэффициентом запаса. Следует также учесть возможность скольжения по подошве фундамента, поскольку применение анкеровки в основаниях (кроме скальных) невозможно. Целесообразно применять уширяющиеся книзу (в том числе ступенчатые) фундаменты для снижения стоимости. Бык должен быть запроектирован таким образом, чтобы равнодействующая сил, передаваемых пролетным строением, совпадала с осью быка и осью фундамента.

Другие вопросы.

Ширину быка поверху назначают не меньше расстояния между обращенными внутрь пролетов краями плит опорных частей пролетных строений плюс 91 см. Длина его поверху должна превышать не менее чем на 183 см ширину пролетного строения, считая между внешними сторонами плит опорных частей.
При проектировании надо предусмотреть меры по предупреждению разрушения кладки в результате действия замораживания и оттаивания впитавшейся влаги, действия текущей воды и льда, ударов плывущих предметов. Особое внимание следует уделять защите от этих факторов поверхностей, соприкасающихся с грунтом, а также той части поверхности быка, которая расположена в пределах колебания уровня воды.
Форма быка в плане имеет большое значение с точки зрения хорошего обтекания его водой; сопротивление, оказываемое быком потоку, уменьшается при придании верховой и низовой частям быка полуциркульного очертания. На реках с тяжелым ледоходом, многочисленными плавающими предметами или очень быстрым течением верховую грань быка целесообразно превратить в водорез, нос которого защитить рельсом или уголковым железом (см. рис. 4).

 
« Опорный пассажирский пункт   Опускная канава »
железные дороги