CADmaster

Мост через реку Пажа на 58+159 км автомобильной дороги I технической категории М-8 «Холмогоры» у с. Воздвиженское железобетонный, балочно-разрезной системы, трехпролетный, по схеме 11,1+16,3+11,1 м, построен в 1967 году. Длина моста 45,68 м, габарит проезжей части Г — 17,9 м, тротуары по 0,8 м. Число полос движения — четыре. Проектные нагрузки Н-30 и НК-80. Пересекает реку под углом 90º (рис. 1).

Рис. 1. Мост через реку Пажа, вид с низовой стороны до ремонта

Проектная и строительная организации не установлены. Проектная и исполнительная документация не найдена.

Пролетные строения сборные железобетонные, по проекту Союздорпроекта, выпуск 56. Под каждое направление движения установлены независимые пролетные строения, а опоры имеют самостоятельные ригели под каждое пролетное строение по ширине. Зазор в свету между боковыми гранями ригелей опор оставляет 70 см. В поперечном сечении каждого отдельного пролетного строения установлены по семь сборных цельноперевозимых балок с диафрагмами с расстоянием в осях 1,4 м (всего в поперечном сечении моста 14 балок). Полная длина балок в пролетах № 1 и № 3 составляет 11,36 м, в пролете № 2 -16,76 м. Высота блоков главных балок длиной 11,36 м — 0,8 м, длиной 16,76 м — 1,0 м. Минимальная толщина плиты на конце консоли — 8 см. В поперечном сечении балки объединены по диафрагмам и плитам с помощью стальных пластин-накладок, приваренных к закладным деталям. Пролетные строения армированы сварными каркасами из арматуры класса А-II № 32 и № 16.

Устои № 1 и № 4 — свайные однорядные на забивных железобетонных сваях сечением 35×30 см. Глубина забивки свай составляет по предварительному расчету 8,05 м. Шкафные стенки и открылки устоев монолитные. Над ригелями устоев устроены монолитные подферменники под ребра балок. Промежуточные опоры № 2 и № 3 — свайные двухрядные, в каждом ряду забито по шесть свай сечением 35×30 см (под каждое направление движения). Глубина забивки свай составляет по предварительному расчету 8,05 м. Ригели промежуточных опор — сборные, с различной высотой под пойменные и русловое пролетные строения (рис. 2, рис. 4).

Рис. 2. Общий вид моста

В геологическом строении района мостового перехода принимают участие породы четвертичного возраста аллювиального и ледникового генезиса (табл. 1, 2).

Таблица 1. Скважина 4. Абсолютная отметка устья скважины 159.00

№ ИГЭ	Геологогенетич. индекс	Описание грунтов	Абсолют. отметка подошвы слоя, м	Глубина подошвы слоя, м	Толщина слоя, м	Глубина до УГВ, м
1	pdIV	Почвенно-растительный слой	158,90	0,10	0,10	0,10
3	a (2t)III	Песок средней крупности, средней плотности, насыщенный водой	157,20	1,80	1,70
4	a (2t)III	Песок мелкий, средней плотности, насыщенный водой	151,50	7,50	5,70
5	a (2t)III	Песок крупный, средней плотности, насыщенный водой	148,60	10,40	2,90
6	f, lgIIms	Глина с прослоями гравия, твердой консистенции	145,30	13,70	3,30
7	f, lgIIms	Песок мелкий, плотный, насыщенный водой	139,00	20,00	6,30

Таблица 2. Расчетные характеристики грунтов по ИГЭ по скважине № 4 у промежуточной опоры № 3

№ ИГЭ	IP число пластич.	W естест. влажн., %	IL показат. текуч.	g, плотн. грунта, г/см3	gd, плотн. сухого грунта, г/см3	gs, плотн. частиц грунта, г/см3	e, коэфф. порист.	E, модуль общей деформ., МПа	j, угол внутр. трения,°	c, сцеплен., кПа	k, коэфф. пропорц. кН/м4
3	-	18,9	-	1,83	1,57	2,65	0,68	30	35(32)	1(1)	5400
4	-	16,5	-	1,77	1,55	2,65	0,71	23	30(27)	1(1)	5800
5	-	16,0	-	1,92	1,69	2,65	0,57	30	38(35)	— (-)	12330
6	24	24,7	-0,06	1,72	1,41	2,71	0,93	15	16(15)	41(27)	8000
7	-	18,0	-	1,93	1,67	2,65	0,59	33	34(31)	3(2)	10400

Ввиду неудовлетворительного состояния балок пролетного строения и их недолговечности принято решение о замене конструкций пролетного строения. Пролетные строения сооружены из сборных железобетонных балок по серии 3.503.1−73. Балки изготовлены в укороченной опалубке балок Б1200.130.93−1−28АIIIс-1, Б1800.130.93−1−28АIIIс-1. Сборные балки объединены участками омоноличивания. Объединение монолитными участками произведено по всей ширине моста. В поперечном сечении балки расставлены на разных уровнях по высоте для обеспечения поперечного уклона 2%. Посередине моста устроено двустороннее барьерное ограждение на монолитном железобетонном цоколе. Над промежуточными опорами предусмотрено объединение пролетного строения в температурно-неразрезную схему по плите балок пролетного строения. Для компенсации продольных температурных деформаций на крайних опорах устроены деформационные швы MaurerD-50 (рис. 3).

Рис. 3. Мост через реку Пажа, вид с низовой стороны после ремонта

На сваях промежуточных опор, как и на ригелях этих опор, имелись трещины, сколы защитного слоя, коррозия арматуры, были видны следы выщелачивания бетона (рис. 4). В ходе ремонта предстояло выполнить обвязку существующих свай в «рубашки» из монолитного железобетона и соорудить новые ригели опор из монолитного железобетона. На крайних опорах подлежали замене шкафные стенки и открылки опор (рис. 5).

Мостовое полотно состоит из следующих слоев: выравнивающий слой бетона (толщина 30−55 мм), гидроизоляция «Изопласт», защитный слой бетона (40 мм), армированного сеткой из проволоки, два слоя щебнемастичного асфальтобетона ЩМА-20 по ТУ 5718.001.00011168−2000 общей толщиной 70 мм (рис. 6, табл. 3).

Таблица 3. Основные технические характеристики моста после капитального ремонта

Категория дороги	I
Число полос движения	4
Габарит	2x (Г-9)+2×0,75
Ширина пролетного строения	21,70 м
Ширина проезжей части	18,0 м
Класс подвижной нагрузки	А11, НК-80
Тип дорожной одежды	Капитальный
Схема моста (длины пролетов)	11,36+16,76+11,36 (температурно-неразрезная схема)
Длина пролетного строения	39,60 м
Длина моста (по переходным плитам)	48,20 м

Бетон существующих свай — В20, W8, F300 по ГОСТ 26633–91.

Бетон ригелей и «рубашек» — В30, W8, F300 по ГОСТ 26633–91.

Бетон конструкций пролетных строений — В30, W8, F300 по ГОСТ 26633–91.

Арматура:

• арматура класса А-I по ГОСТ 5781–82* из стали В Ст3сп по ГОСТ 380–2005;
• арматура класса А-III по ГОСТ 5781–82* из стали 25Г2С;
• закладные детали из стали Ст3сп по ГОСТ 380–2005 и арматуры класса A-III по ГОСТ 5781–82* из стали 25Г2С.

Рис. 4. Промежуточная опора № 3, вид с низовой стороны до ремонта

Рис. 5. Промежуточная опора № 2, вид с низовой стороны после ремонта

Рис. 6. Поперечный разрез моста по пролетному строению русловой части № 2 с видом на промежуточную опору № 3

Расчет промежуточной опоры моста выполнялся в соответствии с нормативными документами [1−4], а также с учетом данных проектной документации [5−8].

Последовательность расчета:

• на основе конструктивных решений, принятых при сооружении моста (эти решения были определены в ходе предремонтного обследования), а также на базе инженерно-геологических изысканий определены несущая способность свай по грунту и минимальная глубина забивки свай в грунт, несущая способность свай по материалу и минимальное армирование поперечных сечений свай;
• на основе конструктивных решений, принятых при ремонте моста, проверены несущая способность свай по грунту и несущая способность свай по материалу.

Расчет выполнен с использованием программного комплекса SCAD версии 11.5.

Расчетные схемы промежуточных опор моста представляют собой линейно-упругие пространственные модели несущих конструкций для вычисления в них деформаций и внутренних усилий от заданных нагрузок по методу конечных элементов (рис. 7).

Конструкции свай представлены двухузловыми пространственными стержневыми конечными элементами, работающими без учета деформаций сдвига по модели Бернулли.

Конструкции ригеля и «рубашек» свай представлены четырехугольными четырехузловыми конечными элементами пологих оболочек, работающих без учета деформаций сдвига по теории Кирхгофа.

Рис. 7. Расчетная схема промежуточной опоры № 3, изометрия

Сетка конечных элементов построена в плане на осях свай и наружном контуре ригеля. Характерная разбивка сетки конечных элементов ригеля — 0,10 м в поперечном направлении (по оси X) и 0,25 м в продольном направлении (по оси Y). Разбивка сетки конечных элементов «рубашек» свай соответствует в плане разбивке сетки конечных элементов ригеля, а по высоте (по оси Z) составляет 0,25 м. Разбивка свай по высоте на конечные элементы выполнена с шагом 0,50 м. Для обеспечения жесткого сопряжения сваи заводятся в «рубашку» на один конечный элемент по высоте.

Взаимодействие свай с окружающим грунтом ортогонально боковой поверхности воспроизводится по модели Винклера с возрастающим коэффициентом упругого отпора по глубине погружения:

k — коэффициент пропорциональности;

z — глубина погружения свай в грунт.

Условная ширина сваи принимается равной:

d — сторона прямоугольного сечения свай по соответствующей боковой поверхности.

Взаимодействие свай с окружающим грунтом основания в продольном направлении осуществляется через связи конечной жесткости, устанавливаемые на нижних торцах и действующие по высоте (по оси Z):

G₁ — модуль сдвига прорезаемых слоев грунта, осредненный в пределах глубины погружения свай;

L — длина свай;

β' — коэффициент, соответствующий абсолютно жесткой свае (EA = ∞) и определяемый по формуле:

k_ν — коэффициент, определяемый по формуле:

ν₁ — коэффициент Пуассона прорезаемых слоев грунта, осредненный в пределах глубины погружения свай;

G₂ и ν₂ — модуль сдвига и коэффициент Пуассона слоев грунта основания, рассматриваемого как линейно-деформируемое полупространство, осредненные в пределах глубины 0,5∙L от нижних торцов свай;

d — расчетный диаметр для свай некруглого сечения, вычисляемый по формуле:

A — площадь поперечного сечения сваи.

Модули сдвига грунта определяются по формулам:

Жесткостные характеристики конечных элементов определяются в зависимости от физико-механических характеристик материалов строительных конструкций и геометрических характеристик их поперечных сечений. Для линейно-упругой модели несущих конструкций, материал которых считается изотропным, основными физико-механическими характеристиками являются модуль упругости и коэффициент Пуассона.

В качестве материала строительных конструкций промежуточных опор используются:

• для существующих свай: бетон класса по прочности B20, сталь арматурная класса AI, принимается модуль упругости бетона E = 2,75·10⁶ тс/м², коэффициент Пуассона ν = 0,20;
• для ригелей и «рубашек» свай: бетон класса по прочности B30, сталь арматурная класса AIII, принимается модуль упругости бетона E = 3,31·10⁶ тс/м², коэффициент Пуассона ν = 0,20.

Геометрические характеристики поперечных сечений существующих свай, ригелей и «рубашек» свай (площади, моменты инерции и др.) вычисляются по заданным параметрам, отвечающим их типам.

Параметрами прямоугольных сечений стержневых элементов существующих свай являются высота и ширина, параметром элементов оболочек ригелей и «рубашек» свай является толщина.

Значения параметров поперечных сечений соответствуют значениям, описанным выше в конструктивных схемах промежуточных опор (рис. 8, 9).

Рис. 8. Жесткости промежуточной опоры моста Рис. 9. Упругий отпор по боковой поверхности свай

Нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции, задаются в виде узловых сил, а также местных распределенных сил с расчетными значениями. По характеру и типу воздействия нагрузки объединяются в соответствующие загружения:

• загружение 1 — нагрузки от собственного веса основных несущих конструкций промежуточной опоры (рис. 10);
• загружения 2−15 — вертикальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений, определяемых воздействиями собственного веса, веса мостового полотна, веса парапетов, веса ограждений, веса подвижного состава А11 (схема варианта 2). Загружения 2−15 отличаются между собой распределением значений опорных реакций по ширине пролетного строения, связанным с изменением положения и количества полос движения подвижного состава (рис. 11);
• загружения 16−19 — горизонтальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений, определяемых воздействиями торможения подвижного состава А11. Загружения 16−19 отличаются между собой значениями опорных реакций по ширине пролетного строения, связанными с изменением количества полос движения подвижного состава (рис. 12).

Для получения экстремальных показателей напряженно-деформированного состояния системы, на которую действуют несколько загружений, при расчете конструкций промежуточных опор вычисляются 14 комбинаций загружений.

Расчеты конструкций промежуточных опор с учетом взаимного влияния свай в кусте выполняются итерационным методом в следующей последовательности:

• производится расчет конструкции промежуточной опоры без учета взаимного влияния свай в кусте, при этом определяются опорные реакции в элементах связей конечной жесткости, моделирующих взаимодействие свай с окружающим грунтом основания в продольном направлении, а также вертикальные перемещения их узлов ;
• строится матрица взаимного расположения свай в кусте;
• строится матрица взаимного влияния свай в кусте:

• определяются дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости , вызывающие эквивалентные дополнительные осадки при взаимном влиянии в кусте (рис. 13−15);
• определяются суммарные осадки каждой сваи с учетом взаимного влияния в кусте и дополнительных вертикальных давлений на связи конечной жесткости.

Если значения суммарных осадок на двух последующих итерациях отличаются незначительно (не более чем на 1%), то итерационный расчет можно завершить.

На рис. 16−18 показаны внутренние усилия в элементах сваи N, My, Mz от комбинации загружений C20 на 1-й и 5-й итерациях.

Рис. 16 Рис. 17

На рис. 19 и 20 проиллюстрированы вертикальные перемещения торцов свай от комбинации C20 на 1-й и 5-й итерациях.

Оценка несущей способности сваи по грунту

Забивная свая 0,35 м·0,30 м L=11,00 м

• Отметка подошвы ростверка: 158,90+2,90−0,05−0,40=161,35
• Отметка верха сваи после забивки до устройства ростверка: 161,35+0,50=161,85
• Отметка погружения нижнего конца сваи: 161,85−11,00=150,85
• Глубина погружения нижнего конца сваи: 158,90−150,85=8,05 м
• Толщина слоя грунта ИГЭ № 5 до отметки погружения нижнего конца сваи: 151,50−150,85=0,65 м

Zi, м	Hi, м	fi, т/м2	Zi, м	Hi, м	fi, т/м2
0,35	0,70		4,65	0,50
0,95	0,50		5,15	0,50
1,45	0,50		5,65	0,50
2,05	0,70		6,15	0,50
2,65	0,50		6,65	0,50
3,15	0,50		7,15	0,50
3,65	0,50		7,725	0,65
4,15	0,50

Оценка несущей способности сваи по материалу

Расчет по прочности

Длина заделки сваи

Расчетная длина сваи

Случайный эксцентриситет

Расчет по образованию в свае продольных трещин от нормальных сжимающих напряжений

Выводы и рекомендации

В результате учета взаимного влияния свай в кусте изменяется деформированная схема промежуточной опоры и происходит перераспределение внутренних усилий в сваях. При этом запас несущей способности наиболее нагруженной сваи по материалу уменьшается с 38,30% до 23,13%, а запас несущей способности наиболее нагруженной сваи по грунту уменьшается с 20,82% до 1,36%.

Литература

1. СНиП 2.05.03−84* «Мосты и трубы».
2. СП 50−102−2010 «Проектирование и устройство свайных фундаментов».
3. СН 200−62 «Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб».
4. ОДН 218.0.032−2003 «Временное руководство по определению грузоподъемности мостовых сооружений на автомобильных дорогах».
5. 161/08-Р-ПИР-ИИ.02.К.1 «Отчет по инженерно-геологическим изысканиям».
6. 161/08-Р-ПИР-ОИС.К.1 «Отчет о предремонтном обследовании».
7. 161/08-Р-ПИР-ОСР.К.1 «Основные строительные решения».
8. ТП вып. 56 СДП инв. № 710/5.