Содержание материала

ГЛАВА II
СТОЛБЧАТЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
§ I. конструкции железобетонных столбчатых ФУНДАМЕНТОВ

В практике строительства мостов и других инженерных сооружений на скальных породах широкое распространение получили массивные фундаменты различных конструкций. Широкие возможности, открывшиеся с применением бетона и железобетона, а также возможности высокой механизации строительных процессов не повлияли на конструкции массивных фундаментов. В результате значительного отставания конструктивных форм от технических возможностей сегодняшнего дня фундаментостроение вообще и особенно строительство фундаментов на скальных породах не отвечает современным требованиям снижения стоимости и внедрения индустриальных методов строительства.
Использование больших запасов прочности материала массивных фундаментов и скальных оснований возможно путем замены массивных фундаментов принципиально новыми конструкциями, позволяющими полностью использовать прочностные свойства материала фундаментов; одним из таких решений являются сборностолбчатые фундаменты.
Характерной особенностью принятых к практическому осуществлению столбчатых фундаментов по сравнению с ранее известными подобными конструкциями является применение для несущих столбов сборных железобетонных тонкостенных оболочек большого диаметра, погружаемых в грунт с помощью вибропогружателей.
Применение для столбов сборных железобетонных оболочек из высокопрочного бетона позволяет сократить до минимума толщину стенок оболочек и использовать для заполнения бетон низких марок.
Использование вибропогружателей дает возможность опускать железобетонные тонкостенные оболочки большого диаметра на значительную глубину в различные грунты без опасности их повреждения.


Рис. 35. Схемы низкого (а) и высокого (б) ростверков опор:
1 — тело опоры; 2 — плита ростверка; 3 — несущие столбы; 4 — железобетонная оболочка; 5 — металлический наконечник; 6 — арматурный каркас; 7 — выпуск продольной арматуры оболочки

К числу достоинств столбчатой конструкции относятся следующие:   
1) благодаря опиранию столбов на скальные породы или искусственным уширениям подошвы столбов имеется возможность предельного использования прочностных свойств материала фундаментов, что не может быть достигнуто ни в одной из массивных конструкций;
2) применение высоких ростверков с наклонным размещением столбов при больших глубинах воды позволяет создать фундаменты, по несущей способности и жесткости равные массивным на опускных колодцах и кессонах при сравнительно малой затрате материала, средств и в короткие сроки;
3) столбчатые конструкции с успехом могут применяться в любых условиях устройства фундаментов и для различных инженерных сооружений как на суше, так и на воде при любой глубине заложения;

  1. все работы по сооружению столбчатых фундаментов производятся с дневной поверхности. Это дает возможность максимально механизировать все строительные процессы и избавляет от вредных условий работы под сжатым воздухом;
  2. предоставляется широкая возможность применения сборных железобетонных конструкций индустриального изготовления.

В зависимости от действующих нагрузок и местных условий столбчатые фундаменты мостовых опор могут устраиваться в виде высокого и низкого ростверков (рис. 35).
Низкий ростверк, как правило, устраивается на вертикальных столбах.

Впервые в мировой практике строительства больших мостов столбчатые фундаменты были применены по предложению советских специалистов в КНР на строительстве мостов через реки Янцзы и Миньцзян.
Анализ данных, полученных при окончательных геологических изысканиях, проведенных на мостовом переходе через р. Янцзы, и при более подробных проектных обследованиях, выявил очень большие трудности и практическую нецелесообразность возведения речных опор моста на кессонных фундаментах.
К этим трудностям относились: большая глубина заложения фундаментов (до 40 м от рабочего горизонта) длительное (до 8 месяцев) стояние паводковых вод в реке, при которых невозможно опускание кессонов; сложные геологические условия, заключающиеся в наличии значительных неровностей скальных пород, достигавших в пределах контура опоры 5—6 м; возможность выделения сернистых газов.
Другие общеизвестные методы устройства фундаментов в условиях строительства моста через р. Янцзы также оказались неприемлемыми. Свайные основания нельзя было применить из-за невозможности обеспечить устойчивость свай и достаточную заделку их в сильно размываемых и легко перемещаемых песчаных наносах, особенно в пределах тех опор, где отложения песка практически отсутствуют. Опускные колодцы не могли быть применены из-за невозможности создания надежного опирания их на неровную поверхность скалы.
В связи с этим при составлении технического проекта опор было внесено предложение о применении сборно-столбчатой конструкции фундаментной части опор и в творческом содружестве коллективов китайских и советских мостостроителей успешно осуществлено на строительстве моста.
В месте постройки опор моста дно русла сложено коренными скальными породами, прикрытыми со стороны левого берега мелкопесчаными наносами толщиной до 23 м.
В местах сооружения опор №1,2, 3, 4, 5 и 8 залегают известняки прочностью от 240 до 1 040 кг/см2 с различной степенью трещиноватости, с выветриванием на глубину до 0,5 м. Опора № 6 сооружена на мергелях прочностью от 120 до 360 кг/см2. Под опорой № 7 находятся сильно окремнелые, разрушенные углистые и глинистые сланцы. Известняки и мергели залегают слоями различной мощности с наклоном к горизонту от 70 до 80°. Наносные отложения находятся у опор № 1—4. В период высокой воды размывы наносов доходят до 12—14 м.
Ледоход на реке отсутствует. Это позволило после всестороннего сравнения различных вариантов принять круглую форму фундамента.
В качестве причин, предопределивших круглую форму фундамента, были примерное равенство горизонтальных усилий, действующих на опору вдоль и поперек моста, и косоструйность течения в районе расположения нескольких опор.


Рис. 36. Конструкция опоры моста через р. Янцзы на высоком ростверке: 1 — несущий столб; 2 —подушка из подводного бетона; 3 — железобетонная плита ростверка; 4 — тело опоры; 5 — оголовок опоры; 6 —железобетонная оболочка столба; 7 — бетон заполнения оболочки; 8 — арматурный каркас; 9 — металлический наконечник; 10 —фланцевое соединение секций оболочки

Круглая форма фундаментов опор давала возможность сократить расход шпунта, облегчить конструкцию каркаса и повысить водонепроницаемость шпунтовых замков, так как при круглой форме шпунтового ограждения в период откачки воды из котлована в замках появляется сжатие, уплотняющее их.
В зависимости от высоты опор и действующих нагрузок в основании каждой опоры располагается от 24 до 35 несущих столбов. В подводной части трех опор ( № 5, 6 и 8), фундаменты которых имеют большую высоту, для экономии бетона и уменьшения веса устроена полость. Обрез фундамента назначен на 0,46 м ниже исторического низкого горизонта воды в реке. Тело опор 4 прямоугольной с закруглениями формы имеет высоту 34,06 м. По фасаду моста размеры тела опоры изменяются от 7,4 до 5,4 м; поперек моста опоры имеют постоянный размер 13,80 м. В связи с необходимостью размещения мощных домкратов под наружными консолями пролетных строений железобетонный оголовок сильно развит в плане выступами по 0,3 м и имеет толщину около 3 м. В теле опоры устроены полости, давшие экономию кладки 3 000 м3 на мост. Полная высота опор доходит до 62 м.
По конструкции и условиям работы фундаменты опор моста через р. Янцзы можно разделить на два основных вида: на высоком ростверке (рис. 36) и на низком ростверке (рис. 37).
К первому виду относятся фундаменты опор левобережной части моста, у которых низ массива из подводного бетона не опирается непосредственно на скалу, а располагается в повышенном уровне в песчаных наносах (см. рис. 36). У опор второго вида из-за малой толщины наносов низ массива из подводного бетона располагается непосредственно на скале (см. рис. 37).
Расчет всех опор производился на передачу нагрузок только через столбы, а наносы считались полностью вымытыми до скальных пород.
При расчете опор учитывались горизонтальные силы от возможного навала судов в 300 т вдоль реки и в 150 т поперек реки, действующие на отметках расчетного судоходного горизонта В расчете фундаментов опор учитывались также дополнительные воздействия от эксцентриситета приложения силы навала в виде кручения в плане; эксцентриситет принимался равным 1/4 соответствующего размера опоры.
Расчет проводился по схеме высокого ростверка с вертикальными столбами в двух предположениях: 1) столбы имеют заделку вверху и внизу; 2) столбы имеют заделку вверху (в бетоне плиты ростверка) и шарнир внизу (в скале).
Верхнее сечение столба проверялось по второй схеме, а нижнее —  по обеим схемам.
При исчислении расчетной высоты столбов принималась действительная высота их, увеличенная на один метр за счет заделки. Наибольшая расчетная высота столбов достигала 9,8 м. Плита ростверка, имеющая толщину не менее 5 м, принималась абсолютно жесткой.

Рис. 37. Конструкция опоры моста через р. Янцзы на низком ростверке: 1 — несущий столб; 2 — подушка из подводного бетона; 3 — железобетонная плита ростверка; 4 — тело опоры; 5 — оголовок опоры; 6 —железобетонная оболочка; 7 — бетон заполнения оболочки; 8 — арматурный каркас; 9 — металлический наконечник; 10 —  фланцевое соединение секций оболочки; 11 — направляющий каркас

Каждый столб фундамента опоры состоит из железобетонной тонкостенной оболочки с толщиной стенки 0,1 м и бетона, заполняющего внутреннюю полость оболочки и скважину, пробуренную через оболочку в скальной породе. В месте сопряжения столба с породой и по длине его установлен арматурный каркас для воспринятия изгибающего момента.
Низ железобетонной оболочки столба для предохранения его от повреждения и преодоления различных мелких препятствий в процессе погружения в грунт усилен металлическим наконечником.
Оболочки необходимой длины набирались из соответствующего количества секций, соединяемых с помощью металлических фланцев.
Для расчета несущей способности фундаментов опор были использованы действующие нормативы для массивных конструкций, которые привели к значительному занижению их расчетной прочности.
Допускаемое напряжение на бетон столбов было принято 50 кг/см2, как для марки бетона 170, хотя проектом предусматривалась марка бетона 250. Такое снижение сделано в соответствии с нормами для бетона, укладываемого подводным способом.
При определении несущей способности скальных оснований опор № 1, 2, 3, 4 и 8 условно было принято, что нагрузка от столбов передается только через их торцы; силы сцепления бетона столбов по боковой поверхности скважин в расчете (в запас прочности) не учитывались.
При минимальной Кубиковой прочности породы 240 кг/см2 несущая способность скального основания каждого столба (при заглублении 2—3 м) составила 670 m.
Для опор № 5 и 6, основанных на более слабых породах, сила сцепления столбов по боковой поверхности скважин учтена. На опоре № 5 минимальная кубиковая прочность породы была 160 кг/см2. Величина заглубления столбов в породу была определена по расчету равной 4,0 м. На опоре № 6 минимальная прочность породы равнялась 120 кг/см2 а потому величина заглубления столбов принята равной 7 м.
Для опор с высоким ростверком было определено расчетом смещение в горизонтальном направлении верхней части опор при навале судна. Для опоры № 4 наибольшее расчетное смещение верха составляет: а) в предположении заделки столбов вверху и внизу 2,4 см; б) в предположении заделки столбов вверху и шарнира внизу — 3,0 см.
Фундаменты, подводный бетон в которых уложен на скалу, рассчитывались как низкий ростверк без учета непосредственной передачи нагрузки на скальное основание подушкой из подводного бетона.

Расчетное давление на несущие столбы от основных сил .находится в пределах от 504 до 634 т; от основных и дополнительных сил — в пределах 582—910 т. Соответственно напряжение в скальной породе под торцом столба без учета воздействия сил бокового трения достигает 47 кг/см2 от основных сил и 69 кг/см2, от основных и дополнительных сил, что меньше допускаемого напряжения на бетон столбов, уложенный подводным способом.
Столбы армировались сварными каркасами из арматуры Ст. 3. Продольная арматура состояла из 18—24 стержней диаметром 38 мм; спираль — из круглой стали диаметром 12 мм с шагом 8 см.
Расчетным сечением, как правило, являлось сечение в «шейке» столба внизу — при переходе от стального наконечника столба к его основанию в скальной породе. Условный диаметр этой «шейки» принимался равным 1,35 м, как и диаметр основания столба (в скальной породе).
В качестве примера дальнейшего распространения опыта сооружения опор мостов на столбчатых фундаментах в Китайской Народной Республике ниже приводится описание конструкции опор моста через р. Миньцзян, являющуюся притоком р. Янцзы в ее верховье.
Переход запроектирован в суженной части русла. В месте мостового перехода р. Миньцзян имеет крутой высокий правый берег и более низкий левый берег. Высокая вода стоит в течение июня —  сентября, т. е. в период летних дождей, выпадающих в горах. Глубина воды при меженных горизонтах около 8 м. Колебания горизонта воды доходят до 30 м. Скорость течения воды в период высоких горизонтов достигает 5 м/сек.                                                           
Дно русла сложено коренными породами в виде песчаников и мергелей, залегающих наклонными слоями. Прочность песчаников до 600 кг/см2, мергеля до 100 кг/см2. В пределах русла реки коренные породы прикрыты слоем галечных отложений толщиной от 3 до 8 м. Средний размер фракций гальки 8—12 см. Галечные отложения имеют включения валунов размером до 2 м.
Мост через р. Миньцзян однопутный, длиной 360 м. Русло перекрыто металлическими пролетными строениями расчетным пролетом по 66 м; береговые пролеты перекрыты железобетонными пролетными строениями по 16 м.
В русле размещены три опоры № 5, 6 и 7, фундаменты которых сооружены на железобетонных столбах диаметром 1,55 м, по 9 столбов в каждой опоре (рис. 38).
Для несущих столбов использованы железобетонные оболочки, оставшиеся от постройки опор моста через р. Янцзы у г. Ухань.
Опыт применения круглой формы фундаментов опор моста через р. Янцзы оправдал себя, поэтому для моста через р. Миньцзян фундаменты речных опор также были приняты круглого очертания диаметром 10,2 м. Этому обстоятельству способствовало примерное равенство дополнительных усилий, действующих на речные опоры вдоль и поперек оси моста.
Высота моста от уровня низкой воды до уровня подошвы рельса около 42 м. Высота речных опор от обреза фундамента около 37 м, от поверхности скальной породы около 49 м.

Ширина тела опоры внизу равна 5,2 м: длина — 7,6 м. Тело опор выложено из светло-серого песчаника. Массивная часть фундаментов опор сделана бетонной с незначительным армированием в пределах площади столбов.
Расчет фундаментов произведен по схеме высоких ростверков (предполагается, что при катастрофических паводках с повторяемостью раз в 100 лет галечные отложения могут быть вымыты). Свободная длина столбов для опоры № 7 принята равной 2 м, для опоры №6 — 5,0 м и для опоры № 5—7,0 м.

Рис. 38. Высокий ростверк опоры моста через р. Миньцзян:
1 — несущий столб; 2 — подушка из подводного бетона; 3 — железобетонная плита ростверка; 4 — тело опоры; 5 — облицовка опоры; 6 — железобетонная оболочка столба; 7 — бетон заполнения оболочки (ядро столба); 8 — арматурный каркас; 9 — металлический наконечник; 10 — фланцевое соединение секций оболочки

В среднем столбы опор заглублены в породу на 2—4 м.
Различное заглубление столбов в породу определялось характером залегания и прочностью коренных пород в пределах контура каждой опоры.
Из-за уменьшения глубин заделки в породе столбов опоры № 7 расчет их производился по схеме шарнирного опирания на породу и полного защемления в ростверке.
В связи с тем, что средняя прочность скальных пород в основании опор моста через р. Миньцзян была меньше по сравнению с прочностью пород на мосту через р. Янцзы, а также и потому,  что еще не было результатов опытных работ по несущей способности столбов, опертых на скальное основание, расчетные давления на столбы опор моста через р. Миньцзян были несколько снижены.
Максимальное давление на один столб опоры № 6 от основных сил равно 425 т, от основных и дополнительных поперек оси моста (от ветра и навала плота) — 764 т, то же вдоль оси моста (от веса и торможения поезда) — 699 т.