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
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
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
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. 4. Промежуточная опора № 3, вид с низовой стороны до ремонта
Рис. 5. Промежуточная опора № 2, вид с низовой стороны после 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
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
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:

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

Рис. 10. Загружение 1, нагрузки от собственного веса основных несущих конструкций
Рис. 10. Загружение 1, нагрузки от собственного веса основных несущих конструкций
Рис. 11. Загружение 13, вертикальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений
Рис. 11. Загружение 13, вертикальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений
Рис. 12. Загружение 17, горизонтальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений
Рис. 12. Загружение 17, горизонтальные нагрузки от опорных реакций пролетных строений

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.

Рис. 13. Загружение 1, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости
Рис. 13. Загружение 1, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости
Рис. 14. Загружение 13, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости
Рис. 14. Загружение 13, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости
Рис. 15. Загружение 17, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости
Рис. 15. Загружение 17, итерация 5, дополнительные вертикальные давления на связи конечной жесткости

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. 16
Рис. 17
Рис. 17
Рис. 18
Рис. 18

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

Рис. 19
Рис. 19
Рис. 20
Рис. 20

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.
Георгий Едигаров
ООО НПФ «СКАД СОФТ»